植物炭碳颜料及其液体分散体的制作方法

植物炭碳颜料及其液体分散体
1.相关申请
2.本技术要求于2019年9月27日提交的现在待审的临时申请序号62/907,411的优先权。


背景技术：

3.用于油墨、油漆、涂料、树脂和印花色浆的黑色颜料主要衍生自石油。仍然需要从可再生来源获得高质量和相当的黑色颜料。几十年来，颜料制造商一直试图用木炭型材料产生高质量的颜料分散体，并且一直是不成功的。在与本技术人一起工作之前，主要颜料制造商试图产生衍生自生物炭的含碳颗粒的分散体。他们在产生符合行业标准的产品方面没有成功。事实上，他们说这是不可能的。其他颜料制造商也尝试并声称最多只能从木炭型材料获得弱着色强度。使用本文公开的化学和方法已经获得了满足工业和这些制造商的优异标准的组合物。


技术实现要素：

4.本文所述的组合物和方法涉及用于着色的黑色颜料。更具体地，本文公开了一种颜料分散体制剂，其包括衍生自生物炭的含碳颗粒物和分散剂。在一些实施例中，所述生物炭为木材生物炭。
附图说明
5.在所附权利要求中具体阐述了本发明的新颖特征。通过参考以下具体实施方式和附图，将获得对本发明的特征和优点的更好理解，所述具体实施方式阐述了利用本发明的原理的说明性实施例，在附图中：
6.图1a示出了来自溅射过程的放大倍数为10,000倍的扫描电子显微镜图像，其示出了已经与流体一起研磨并干燥的颜料颗粒的随机样品。
7.图1b示出了来自溅射过程的放大倍数为50,000倍的扫描电子显微镜图像，其示出了已经与流体一起研磨并干燥的颜料颗粒的随机样品。两个代表性颗粒由周围的椭圆形圆圈表示，其中图像右上部的颗粒直径为46.62nm，并且图像右下方更多的颗粒直径为40.80nm。
8.图2a示出了来自溅射过程的放大倍数为10,000倍的扫描电子显微镜图像，其示出了已经与流体一起研磨并干燥的颜料颗粒的随机样品。
9.图2b示出了来自溅射过程的放大倍数为50,000倍的扫描电子显微镜图像，其示出了已经与流体一起研磨并干燥的颜料颗粒的随机样品。两个代表性颗粒由周围的椭圆形圆圈表示，其中图像中右部的颗粒直径为53.45nm，并且图像右下方更多的颗粒直径为64.11nm。
10.图3示出了来自扫描透射电子显微照相(stem)工艺的放大倍数为50,000倍的扫描透射电子显微镜图像，其示出了颜料颗粒的随机样品，其中按数量计至少95％的颗粒或至
少100个颗粒直径为15-25nm。
11.图4示出了来自stem工艺的放大倍数为100,000倍的扫描透射电子显微镜图像，其示出了颜料颗粒的随机样品，其中按数量计至少95％的颗粒或至少100个颗粒直径为15-25nm。
12.图5示出了来自lacey stem工艺的放大倍数为50,000倍的扫描透射电子显微镜图像，其示出了颜料颗粒的随机样品，其中按数量计至少95％的颗粒或至少100个颗粒直径为15-25nm。
13.图5a是来自lacey stem工艺的放大倍数为50,000倍的扫描透射电子显微镜图像，其示出了证明链状葡萄串状形态的互连颗粒。
14.图6示出了来自lacey stem工艺的放大倍数为100,000倍的扫描透射电子显微镜图像，其示出了颜料颗粒的随机样品，其中按数量计至少95％的颗粒或至少100个颗粒直径为15-25nm。
15.图7-8示出了可以用作制造亚微米含碳颗粒的原料的植物炭的颗粒状固体的原料的扫描电子显微镜图像。
16.图9a示出了表现出球状习性的现有技术石油炭黑样品的扫描透射电子显微镜图像。
17.图9b-9c示出了表现出成簇习性的现有技术石油炭黑样品的扫描透射电子显微镜图像。
18.图10示出了来自制剂1的三个随机样品(光谱1-3)和来自制剂2的三个随机样品(光谱4-6)的未校正拉曼光谱。
19.图11示出了来自制剂1的三个随机样品(光谱1-3)和来自制剂2的三个随机样品(光谱4-6)的基线校正拉曼光谱。
20.图12示出了在cie lab色空间中绘制的检测到的色调的图形表示。
21.图13-18示出了使用动态光散射进行的测量的分布，以评估根据本公开的实施例的样品1a-3b的粒度分布。
22.图19示出了来自lacey stem工艺的放大倍数为50,000倍的扫描透射电子显微镜图像，其示出了来自与本技术人无关的市售参考来源的生物质衍生的颜料颗粒。
23.图20-21示出了根据本公开的颜料产品的链状葡萄串状形态的有些示意图。
24.图22示出了来自lacey stem工艺的放大倍数为100,000倍的扫描透射电子显微镜图像，其示出了参考商业石油衍生炭黑的簇。
25.图23示出了来自lacey stem工艺的放大倍数为100,000倍的扫描透射电子显微镜图像，其示出了来自市售参考来源的生物质衍生的颜料颗粒。
26.图24示出了在没有电子透射的情况下在30,000倍的放大倍数下的图23的图像。
27.图25示出了来自lacey stem工艺的放大倍数为30,000倍的扫描透射电子显微镜图像，其示出了来自市售参考来源的生物质衍生的颜料颗粒。
28.图26示出了没有电子透射的图25的图像。
29.图27示出了来自lacey stem工艺的扫描透射电子显微镜图像，其示出了来自本文公开的制剂11的颗粒。
30.图28示出了来自lacey stem工艺的扫描透射电子显微镜图像，其示出了参考石油
炭黑颗粒。
具体实施方式
31.如本文所用，术语“约”是指接近所述量10％、5％或1％的量，包括其中的增量。术语“约”是指该术语之后的值或值的范围。例如，“约1-2”和“约1到2”应理解为“约1到约2”。类似地，术语“在约1和2之间”应理解为“在约1和约2之间”。
32.各种实施例可指定关于某些组分(例如颜料颗粒或分散剂)的重量和含有此类组分的总组合物(例如分散体)的重量的信息。在某些情况下，可以使用下标来指定所引用的部分。例如，w
p
可用于指颗粒的重量，wd可用于表示分散剂的重量，并且wt可用于表示组合物的总重量。在某些情况下，可以使用带下标名称的分数，例如w
p
/w
t
，并且分数值可以乘以100以表示为重量百分比，例如“60％w
p
/w
t”。当在本文中表示组合物的组分的重量百分比而没有明确提及相关的比较物时，例如“[指定的组分]以10wt％存在”，这意味着指定的组分是组合物总重量的10％。同样地，当指定组分(如植物炭原料)中化学元素或化合物(如灰分含量)的重量百分比在不参考相关比较物的情况下表示时，这意味着指定元素或化合物以指定组分的总重量的百分比存在。
[0033]
颜料已经用于艺术、功能和装饰目的几千年，追溯到洞穴壁画并一直延续到今天。本文讨论的技术涉及用于黑色着色的颜料。黑色是一种颜色，其感知是由完全没有光刺激人眼中的三种类型的颜色敏感视锥细胞中的任何一种引起的，并且与周围环境相比具有非常低的亮度。真正的黑色视觉刺激是没有色调和灰度。黑色是可能的最暗的颜色。史前画家通常使用来自木材或动物骨头的木炭，其被部分燃烧用于灰色或接近黑色的着色。在现代，类似的颜料也通过蔬菜和水果废料、骨、角、象牙和类似材料的部分燃烧或热解来制备。热解涉及将材料置于室中并在很少或没有氧气存在下加热。本文描述了源自最近活的植物或动物的材料，其被称为“炭”或“生物炭”。
[0034]
与炭相反，石油炭黑是衍生自石油或天然气的颜料。石油炭黑，也称为灯黑、颜料黑、烟灰或黑碳，用于黑色着色。石油炭黑是从许多不同类型的产物(例如天然气或石油)的不完全燃烧中作为烟灰获得的细颗粒碳颜料。石油炭黑通常是细而软的黑色粉末。它非常稳定并且不受光、酸和碱的影响。它通常用于印刷油墨、涂料染料和中国墨。石油炭黑用作涂料、橡胶、塑料、油漆、碳纸和蜡笔中的颜料。石油炭黑颜料的一些另外的同义词是槽法炭黑；灯黑；颜料黑6或7；ci 77266；气黑；钻石黑；烟黑；烟灰黑；火焰黑；炉黑；乙炔黑；热炭黑；石墨；炭黑；煤黑；烟灰墨(日本)；hiilimusta(芬兰)；nero di carbone(意大利)；美国试验和材料协会(astm)已经定义了各种标准石油炭黑。例如：astm d209-81(2012)灯黑颜料的标准规范；astm d210-05(2011)骨黑颜料的标准规范；astm d561-82(2014)涂料用炭黑颜料的标准规范；astm d769-01(2012)黑色合成氧化铁的标准规范。
[0035]
黑色颜料可以由炭或石油炭黑制备。炭是颜料的可再生来源，这从生态和可持续的角度来看是期望的性状。然而，炭的历史或现代实施方式通常不提供具有与石油炭黑提供的着色性质相当的性质的颜料。炭特有的困难包括产生均匀的亚微米颗粒、产生分散体和产生球形颗粒。本文描述了具有与石油炭黑分散体制剂相当的性质的炭颜料分散体制剂，其避免了石油炭黑的生产和使用的有害方面。
[0036]
多环芳烃(pah)是一类化学物质，其中长期暴露于低水平的一些pah已导致实验室
动物的癌症。pah天然存在于煤、原油和汽油中。它们也是在煤、石油、天然气、木材、垃圾和烟草燃烧时产生的。因此，预期pah将存在于生物炭原料中。还预期存在于生物炭原料中的pah将保留在包括衍生自生物炭的含碳颗粒物的颜料分散体制剂中。减少此类分散体中pah的存在的最有效方式是利用具有最小pah含量的生物炭。在一些实施例中，多环芳烃以小于约50mg/kg的浓度存在于生物炭原料中(并且可能存在于源自这种原料的含碳颗粒物质中)。在一些实施例中，多环芳烃以小于约10mg/kg的浓度或以不可检测的浓度存在于生物炭中。非常出乎意料的是，pah浓度在碳水化合物材料如生物炭的热解或热分解中如此低。
[0037]
衍生自颜料分散体制剂的颜料组合物
[0038]
本文所述的颜料组合物包括颗粒。通过从基本上均匀混合的液体颜料分散体中取样获得颜料颗粒的随机样品。颗粒可以通过颗粒数量、尺寸、尺寸分布、表面积、形状、表面纹理或其任何组合来表征。观察到的特性可以随测量技术而变化。本文描述了用于测量某些特性的多种技术。例如，本文关于多种测量技术描述了粒度的平均直径，所述测量技术包括扫描电子显微镜(sem)成像、扫描透射电子显微照相(stem)成像、动态光散射(dls)和激光散射(ls)或图像分析软件如imagej。如本文所用的术语“stem”是广义术语，其是指如本文所定义的通用扫描透射电子显微照相以及使用“lacey stem工艺”的显微照相术和使用“stem工艺”的显微照相术。
[0039]
表征
[0040]
在一些实施例中，测量颗粒的随机样品。在一些实施例中，在放大倍数至少为50,000倍的扫描透射电子显微照相(stem)二维显微照片上测量衍生自生物炭的含碳物质的颗粒的直径。在一些实施例中，通过在来自lacey stem工艺的放大倍数至少为50,000倍的二维显微照片上的空间分析来测量颗粒。在一些实施例中，针对90％置信水平计算置信区间。在一些实施例中，置信水平以95％置信水平计算。在一些实施例中，置信区间以97.5％置信水平计算。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约1000nm。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约900nm。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约800nm。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约700nm。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约600nm。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约500nm。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约400nm。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约300nm。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约200nm。本文公开了具有衍生自生物炭的颗粒的颜料组合物，其中按数量计至少约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约100nm。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约50nm。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约25nm。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在1000nm和25nm之间的范围内，包括其中包含的所有范围。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约1000nm。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约900nm。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约800nm。在一些实施例中，按数量计
约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约700nm。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约600nm。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约500nm。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约400nm。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约300nm。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约200nm。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约50nm。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约50nm。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径小于约25nm。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在15-25nm范围内。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约0.1nm和1000nm之间的范围以及其中包含的所有范围内。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约0.1nm和500nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和300nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和200nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和100nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约10nm和50nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约50nm和100nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约80％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约15nm和25nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约90％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约0.1nm和1000nm之间的范围内，包括其中包含的所有范围。在一些实施例中，按数量计约90％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约0.1nm和500nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约90％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和300nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约90％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和200nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约90％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和100nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约90％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约10nm和50nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约90％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约50nm和100nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约90％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约15nm和25nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约0.1nm和1000nm之间的范围内，包括其中包含的所有范围。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约0.1nm和500nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和300nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和200nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和100nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约10nm和50nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约50nm和100nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约95％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约15nm和25nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约99.7％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约0.1nm和1000nm之间的范围内，包括其中包
含的所有范围。在一些实施例中，按数量计约99.7％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约0.1nm和500nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约99.7％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和300nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约99.7％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和200nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约99.7％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约1nm和100nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约99.7％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约10nm和50nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约99.7％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约50nm和100nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约99.7％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约15nm和25nm之间的范围内。在一些实施例中，按数量计约80％至约99.7％的颗粒或至少100个颗粒的平均直径在约0.1nm和1000nm之间的范围内，包括其中包含的所有范围。
[0041]
在一些实施例中，从随机样品获得粒度分布。一旦获得随机样品，就估计粒度，然后描述粒度分布。通常，术语d10、d50和d90用于描述粒度分布。d10直径具有10％的较小颗粒和90％的较大颗粒。d50是中值直径，其中50％的颗粒较大且50％较小。d90定义其中90％的分布具有较小粒度并且10％具有较大粒度的直径。以d10、d50和d90直径为特征的三点规格被认为是完整的并且适用于大多数颗粒材料。如何表达这些点可以变化。一些规格使用d10、d50和d90必须不超过(nmt)规定大小的格式。例如：粒度分布可以描述为d10 nmt 20μm；d50 nmt 80μm和d90 nmt200μm。尽管对于每个点仅说明了一种尺寸，但是存在可接受尺寸的隐含范围(即，如果在20μm和80μm之间，则d50通过)。或者，可以明确地陈述值的范围。例如：d10 10-20μm；d50 70-80μm；和d90 180-200μm。
[0042]
在一些实施例中，包括误差带。术语“总误差带”在本文中用于指定包括以95％置信水平计算的取样和样品制备的所有来源。一个实例是d50 nmt 100μm，其中总误差带在尺寸上为+/-5％。有时使用其他统计来描述粒度分布。最常见的计算是标准偏差和方差。标准偏差(st dev.)。标准偏差规范定义了直径，其中总群体的大约68.27％位于+/-1标准偏差内，并且95.45％位于+/-2标准偏差内。
[0043]
在一些实施例中，粒度分布通过激光散射测量来测定。本文公开了具有衍生自生物炭的颗粒的颜料组合物，其中如通过激光散射测量所测定的d90粒度等于或小于约1微米。在一些实施例中，如通过激光散射测量所测定的d90粒度为约100nm至约1微米。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约950nm。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约900nm。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约800nm。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约700nm。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约600nm。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约500nm。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约400nm。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约300nm。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约200nm。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约100nm。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约50nm。在一些实施例中，d90粒度等于或小于约25nm。在一些实施例中，d90粒度为约500nm至1微米。在一些实施例中，d90粒度为约400nm至1微米。在一些实施例中，d90粒度为约300nm至900nm。在一些实施例中，d90粒度为约200nm至800nm。在一些实施例中，d90粒度为约300nm至500nm。在一些实施例中，d90粒度为约400nm至800nm。在一些实施例中，d90粒度为约1nm至约1,000nm。在一些实施例中，d90粒度至少约为1nm。在一些实施例中，d90粒度为约1nm至约1,000nm，包括其中包含的所有范围。在一些实施例中，d50粒度为约100nm至900nm，包括其中包含的所有范围。
[0044]
颜料粒度的均匀性是重要的，因为它稳定了油墨、油漆、涂料、树脂和印花色浆的流体流动特性，并且因为均匀性对于颜料的着色和着色强度性质的一致性和质量是重要的。在许多应用中，希望具有表征为“单分散”或接近单分散的粒度分布。单分散分布是其中所有颗粒具有基本上相同的尺寸的分布。当使用动态光散射(dls)来估计尺寸分布时，粒度的变化通常表示为多分散指数(pdi)，其计算为(标准差/平均值)2。对于纳米颗粒，通常理解的是，当pdi低于0.05时，分布是“单分散的”。在本文公开的包括衍生自生物炭的颗粒的颜料组合物的一些实施例中，pdi值在0.1和0.2之间。虽然这种均匀性并不严格表示单分散纳米颗粒分布，但它表示足够的粒度均匀性以表征为接近单分散并满足许多油墨、油漆、涂料、树脂和印花色浆的要求。可以使用其他分析技术来评估颗粒的单分散性质。例如，可以通过包括图像分析软件如imagej的各种手段分析来自扫描透射电子显微镜的图像，以估计粒度的变化并评估它们的单分散特征。
[0045]
使用lacey stem方案获取的stem图像可用于估计颗粒的随机样品的粒度和球状性质的变化。本文中stem图像中公开的实施例的粒度估计的规定方法被称为“几何方案”，几何方案可用于估计图像中颗粒的直径。圆度值为1.0的颗粒表示完美的圆。当该值接近0.0时，它表示越来越长的多边形。由于颗粒处于静止状态并且处于随机取向，所以圆度测量准确地指示颗粒的球形程度。可用于此目的的图像分析软件的实例是可从美国国立卫生研究院(https://imagej.nih.gov/ij/)获得的“imagej”软件。以下步骤构成几何方案：
[0046]
a.使用lacey stem方案，获取随机样品的图像，所述随机样品为衍生自生物炭的含碳颗粒的分散体。
[0047]
b.利用imagej或等效软件测量图像中至少100个颗粒的直径。
[0048]
c.利用imagej或等效软件测量图像中所述至少100个颗粒的圆度。
[0049]
d.利用统计软件计算所述至少100个颗粒的平均直径。
[0050]
e.利用统计软件计算所述至少100个颗粒的平均直径的标准偏差。
[0051]
f.利用统计软件计算所述至少100个颗粒的平均圆度。
[0052]
g.利用统计软件计算所述至少100个颗粒的平均圆度的标准偏差。
[0053]
根据几何方案评估如本文公开的包括衍生自生物炭的含碳颗粒物质的分散体制剂中的颜料颗粒样品。该样品如图27所示。结果如下：
[0054] 生物炭样品100个颗粒的平均直径(μm)0.0586087所述100个颗粒的直径的标准偏差0.0103所述至少100个颗粒的平均圆度0.824以平均直径百分比表示的标准偏差17.6％所述100个颗粒的平均圆度的标准偏差0.2387087以平均圆度百分比表示的标准偏差28.97％
[0055]
为了比较，使用几何方案测试商业石油衍生的炭黑样品。该样品如图28所示。结果如下：
[0056] pcb样品100个颗粒的平均直径(μm)0.0253所述100个颗粒的直径的标准偏差0.0193
以平均直径百分比表示的标准偏差76.3％所述至少100个颗粒的平均圆度0.630所述100个颗粒的平均圆度的标准偏差0.2529455以平均圆度百分比表示的标准偏差40.1％
[0057]
令人惊讶的是，如本文公开的包括衍生自生物炭的含碳颗粒物质的分散体制剂中的颗粒的平均直径仅略大于商业石油衍生的炭黑中的颗粒的平均直径。甚至更令人惊讶的是，来自如本文公开的包括衍生自生物炭的含碳颗粒物质的分散体制剂的颗粒比商业石油衍生的炭黑中的颗粒更球形。
[0058]
在一些实施例中，基于折射率为1.590、吸收率为0.010的聚苯乙烯胶乳作为标准品，通过动态光散射测量来测定粒度分布。在一些实施例中，80％的颗粒的尺寸小于1微米。在一些实施例中，90％的颗粒的尺寸小于1微米。在一些实施例中，95％的颗粒的尺寸小于1微米。在一些实施例中，99％的颗粒的尺寸小于1微米。在一些实施例中，99.9％的颗粒的尺寸小于1微米。本文公开了一种颜料组合物，其具有衍生自生物炭的颗粒，其中粒度分布具有小于约500nm的最大强度，如通过动态光散射测量所测定的。在一些实施例中，粒度分布具有小于约400nm的最大强度。在一些实施例中，粒度分布具有小于约300nm的最大强度。在一些实施例中，粒度分布具有小于约200nm的最大强度。在一些实施例中，粒度分布具有小于约100nm的最大强度。在一些实施例中，粒度分布具有小于约50nm的最大强度。在一些实施例中，粒度分布具有小于约20nm的最大强度。在一些实施例中，粒度分布具有约0.01-1000nm之间的最大强度，包括其中包含的所有范围。在一些实施例中，粒度分布具有约165-171nm之间的最大强度。
[0059]
作为实际需要，任何指定微粒的粒度分布的陈述都是估计。指定粒度分布的一个考虑因素是对粒度变化的估计。可以表示变化的一种方式是根据标准偏差(“西格玛”统计)或等效百分比。在平均值之上或之下绘制的一个标准偏差或一个西格玛包括所有数据点的68％。两西格玛包括95％，三西格玛包括99.7％。表达变化的另一种方式是根据低于一定尺寸的颗粒的百分比。例如，900nm的d90值意味着90％的颗粒估计为900nm或更小。
[0060]
指定粒度参数时的另一考虑涉及关于报告参数的准确性和可靠性的陈述。通常，参数的精确度是根据“约”指定值来报告的。通常，参数的可靠性是根据置信水平来报告的，例如“95％置信水平”。粒度表征的科学得到了很好的发展，并且本文引用的粒度参数将被相应地解释。
[0061]
在一些实施例中，通过在波长为514.5nm的激光激发下用1800gr/mm光栅进行拉曼测量来表征颗粒。在一些实施例中，颗粒表现出g位置在约1590(cm-1)至约1605(cm-1)之间且i(d)/i(g)比在约2.54至约3.02之间的拉曼光谱。在一些实施例中，颗粒表现出g位置在约1580(cm-1)至约1605(cm-1)之间且i(d)/i(g)比在约2.49至约3.07之间的拉曼光谱。
[0062]
在一些实施例中，颗粒的表面积通过静压气体吸附测定，所述静压气体吸附也称为通过气体物理吸附的比表面积分析(静态体积法)。在一些实施例中，颗粒的表面积大于或等于约100m2g-1。在一些实施例中，颗粒的表面积大于或等于约200m2g-1。在一些实施例中，颗粒的表面积大于或等于约300m2g-1。在一些实施例中，颗粒的表面积大于或等于约350m2g-1。在一些实施例中，颗粒的表面积在约100m2g-1至约1000m2g-1之间，包括其中包含的所有范围。
[0063]
生物炭原料包括碳，并且在一些实施例中，生物炭原料中的碳含量在约55％至约80％的范围内，包括其中所包含的所有范围。在一些实施例中，碳含量在约80％至约95％的范围内，包括其中包含的所有范围。在一些实施例中，碳含量大于或等于约95％。在一些实施例中，碳含量大于或等于约95％。
[0064]
在一些实施例中，颜料分散体制剂具有不大于约75重量％的含碳生物炭颗粒物，和不大于约40重量％的分散剂，和不大于约20重量％的任选的抗凝剂，和不大于约5重量％的任选的消泡剂，和不大于约5重量％的任选的防腐剂或杀生物剂。在一些实施例中，所述生物炭颗粒物不大于约70重量％。在一些实施例中，所述生物炭颗粒物不大于约65重量％。在一些实施例中，所述生物炭颗粒物不大于约55重量％。在一些实施例中，所述生物炭颗粒物不大于约50重量％。在一些实施例中，生物炭不大于约45重量％。在一些实施例中，生物炭不大于约40重量％。在一些实施例中，生物炭不大于约30重量％。在一些实施例中，生物炭不大于约25重量％。在一些实施例中，所述分散剂不大于约35重量％。在一些实施例中，所述分散剂不大于约30重量％。在一些实施例中，所述分散剂不大于约25重量％。在一些实施例中，所述分散剂不大于约20重量％。在一些实施例中，所述分散剂不大于约15重量％。在一些实施例中，所述分散剂不大于约10重量％。在一些实施例中，所述分散剂不大于约5重量％。在一些实施例中，所述抗凝剂不大于约20重量％。在一些实施例中，所述抗凝剂不大于约15重量％。在一些实施例中，所述抗凝剂不大于约10重量％。在一些实施例中，所述抗凝剂不大于约5重量％。在一些实施例中，所述消泡剂不大于约2.5重量％。在一些实施例中，所述消泡剂不大于约1.0重量％。在一些实施例中，该组合物用作着色用油墨。本文公开了一种分散体，其包括上述实施例中任一项所述的生物炭颜料。在一些实施例中，所述生物炭原料碳含量大于或等于约70％。在一些实施例中，所述生物炭原料碳含量在约70％到约99.9％的范围内，包括其中所包含的所有范围。
[0065]
在一些实施例中，炭是生物炭并且包括灰分。灰分是不是纯碳的任何材料。在一些实施例中，灰分是钙、镁、钾或磷及其化合物的混合物。在一些实施例中，灰分含量小于或等于约30％。在一些实施例中，灰分含量小于或等于约25％、或小于或等于约20％、或小于或等于约15％、或小于或等于约10％、或小于或等于约9％、或小于或等于约8％、或小于或等于约7％、或小于或等于约6％、或小于或等于约5％、或小于或等于约4％、或小于或等于约3％。或小于或等于约2％、或小于或等于约1％、或小于或等于约0.1％。在一些实施例中，灰分含量为约1％至约30％。在一些实施例中，灰分含量至多约为30％。在一些实施例中，灰分含量为约1％至约3％、或约1％至约5％、或约1％至约10％、或约1％至约15％、或约1％至约20％、或大于20％。
[0066]
黑色颜料分散体的特性
[0067]
颜料通常被制造为分散体，“颜料分散体”，其基本上是在水、溶剂、uv可固化液体或油中的液体着色剂的浓缩形式，其随后被使用颜料的油墨、油漆、印花色浆、涂料、树脂和其他着色介质的制造商稀释。
[0068]
本文公开了“分散体制剂”。在各种实施例中，分散体制剂可用于磨机中以将均匀混合物中的衍生自生物炭的颗粒从几微米或更大的尺寸减小到更小的尺寸，甚至亚微米尺寸。在各种实施例中，将所述分散体配制物从磨机中排出，然后准备用作颜料分散体。分散体制剂可包括研磨流体。所述研磨流体通常在研磨操作中是有利的，以产生小(例如亚微
米)粒度，并且当所述分散体制剂从磨机中排出以用作颜料分散体时，至少一部分研磨流体保留。所述研磨流体可以是水、溶剂、载体/活化剂或油。分散体制剂通常包括分散剂。在其它功能中，分散剂可以改善研磨过程。
[0069]
本文公开的分散体制剂的一些实施例的意想不到的表征是优异的黑度[my]和优异的黑度[mc]，以及优异的着色强度[t]。黑度my是黑度的量度，与反射率直接相关。考虑到黑色颜料的精确底色或色调，颜色相关的黑度值mc与my不同。my和mc的值越高，感知的黑度(jetness)或黑度(blackness)越大。黑度my和黑度mc值超过250通常被认为表现出高黑度(blackness)和黑度(jetness)。预期衍生自生物炭的颜料将类似于木炭，其是深灰色而不是黑色，具有低于200的预期黑度my和黑度mc值。出乎意料地，本文公开的颜料分散体的一些实施例表现出300或更高的黑度my和黑度mc值。
[0070]
着色强度(t)是颜料的另一个品质因数。对于黑色颜料，着色强度是其在与白色颜料混合时降低反射率的效率。着色强度(t)是当印花色浆配方中颜料含量降低时相对反射率的量度。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约75％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约80％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约85％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约90％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约91％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约92％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约93％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约94％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约95％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约96％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约97％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约98％。在一些实施例中，着色强度(t)大于或等于约99％。在一些实施例中，着色强度(t)为约80％至约99％。在一些实施例中，着色强度(t)至少约为80％。
[0071]
根据以下“着色强度方案”测试本文公开的用于包括衍生自生物炭的含碳颗粒物的颜料分散体制剂的实施例的样品的着色强度(t)。
[0072]
根据astm d-2066
‑“
糊剂型印刷油墨弥散的相对着色强度的试验方法”进行测试，具体如下：
[0073]
将标准分散体和未知分散体各自在合适的着色基料中如下降低至相同的浓度：
[0074]
975g标准打印基础配方
[0075]
25g颜料分散体
[0076]
用相当等级的炭黑颜料制成标准。
[0077]
用7号迈耶棒在漂白的100％棉织物上完成牵伸；在105℃下干燥1分钟；在150℃下固化5分钟。通过测试方法b来评估色调的着色强度的下降-仪器评估：
[0078]
反射率测量仪器：具有半球形(积分球)几何形状的分光光度计，符合测试方法e 1331
[0079]
根据kubelka-munk方程计算未知分散体的着色强度。
[0080]
与标准相比，本文公开的实施例记录了94％至99％的着色强度(t)值。超过90％的着色强度t值被认为是优异的，并且对于由生物炭制成的颜料是出乎意料的。应当注意的是，根据astm d-2066的测试是用还原成成品油墨制剂的分散体进行的。在其它化学品或助剂中，成品油墨制剂含有颜料分散体，其用于印刷、涂覆或涂漆应用。在这些实施例中，与由生物质制成的市售颜料相比，仅需要十分之一的颜料分散体以在成品油墨制剂中实现相同
的着色。作为实例，由可从竞争性来源商购获得的生物质炭制成的成品油墨制剂具有20％的颜料负载量。相比之下，由本文公开的实施例制成的成品油墨制剂在仅2％颜料负载量的情况下实现了显著更高的黑度(my)和黑度(mc)值。
[0081]
色牢度是已被颜料着色的材料的特征。一个工业标准是国际标准iso 105-纺织品-色牢度测试。特别感兴趣的是b02部分：“耐人造光的色牢度：氙弧褪色灯测试”。iso 105的该部分规定了一种用于测定代表自然日光的人造光源(d65)对所有种类和所有形式的纺织品的颜色的影响的方法。iso标准105b02部分是根据以下“uv方案”测试色牢度的基础：
[0082]
光源：如iso 105b02部分中所规定
[0083]
标准：蓝色羊毛
[0084]
设备设置：曝光循环a1:
[0085]
湿度：正常
[0086]
气候条件重复：温带
[0087]
黑色标准温度：(47
±
3)℃
[0088]
黑板温度：(47
±
3)℃
[0089]
试样：100％棉布染色条
[0090]
曝光时间：100h
[0091]
来自iso标准105b02部分的评分范围为1(非常低的耐光色牢度)至8(非常高的耐光色牢度)，其中每个较高编号的引用速度约为前一个编号的两倍。根据uv方案测试用本文公开的颜料分散体制剂染色的五个试样。四个样品评分为8，这相当于商业石油炭黑测试样品。本文公开的实施例的一个样本评分在5和6之间。出乎意料的是，衍生自生物炭的颜料将达到8分。
[0092]
可以使用几种标准化测试来评估颜料有多黑。黑度(my)是黑度的量度，与反射率直接相关。对于最好的黑色，典型的反射率值通常低于5％，并且可以低于1％。在一些实施例中，黑度大于或等于约200。在一些实施例中，黑度大于或等于约250。在一些实施例中，黑度大于或等于约350。
[0093]
黑度(mc)是表面积、一次粒径和分散度的复变函数。具有较小一次粒径的黑色颜料倾向于赋予比具有较大一次粒径的黑色颜料更高的黑度。在一些实施例中，黑度大于或等于约200。在一些实施例中，黑度大于或等于约260。在一些实施例中，黑度大于或等于约350。
[0094]
底色(dm)量化黑色颜料加粘合剂的中性程度。底色计算为dm＝mc-my。如果dm《0，则底色为棕红色。dm值＝0将表明黑色是完全消色差的或中性色。如果dm》0，则黑色表现出通常优选的浅蓝色底色。在一些实施例中，底色大于0。
[0095]
在一些实施例中，黑度(my)大于或等于约50。在一些实施例中，黑度(my)大于或等于约100。在一些实施例中，黑度(my)大于或等于约150。在一些实施例中，黑度(my)大于或等于约200。在一些实施例中，黑度(my)大于或等于约250。在一些实施例中，黑度(my)大于或等于约300。在一些实施例中，黑度(my)大于或等于约350。在一些实施例中，黑度(my)大于或等于约400。在一些实施例中，黑度(my)为约50至约400。
[0096]
在一些实施例中，黑度(mc)大于或等于约50。在一些实施例中，黑度(mc)大于或等于约100。在一些实施例中，黑度(mc)大于或等于约150。在一些实施例中，黑度(mc)大于或
等于约200。在一些实施例中，黑度(mc)大于或等于约250。在一些实施例中，黑度(mc)大于或等于约300。在一些实施例中，黑度(mc)大于或等于约315。在一些实施例中，黑度(mc)大于或等于约350。在一些实施例中，黑度(mc)大于或等于约400。
[0097]
根据以下“黑色方案”测试本文公开的用于包括衍生自生物炭的含碳颗粒物的颜料分散体制剂的实施例的样品的黑度(my)和黑度(mc)。
[0098]
使用hunber labscanxe仪器或等效45/0几何仪器进行测试，其中黑色玻璃瓷砖作为黑色参考
[0099]
建立以下设置：
[0100]
xyz色空间d65光源
[0101]
10度观察者45/0几何形状
[0102]
1.2"端口大小
[0103]
在作为样品容器/窗口的聚苯乙烯(ps)培养皿中原样测试样品。其中样品具有足够的粘度，使得培养皿表面保持足够大的间隙以保持样品不透明并在窗口之间就位。在样品不具有所需粘度的情况下，使用“o”形环间隔物来保持固定的密封间隙，该间隙保持样品并为不透明度提供足够的样品路径长度。
[0104]
本文公开的5个组合物实施例(由“id”标识)获得了下表中的以下结果。注意，组合物2019-006343-01测试两次。
[0105][0106]
在一些实施例中，底色(dm)大于0。在一些实施例中，底色(dm)为0。
[0107]
评估黑色颜料的替代方法是利用cielab色空间(也称为cie l*a*b*或有时简称为“lab”色空间)，其是由国际照明委员会(cie)在1976年定义的色空间。它将颜色表示为三个值：l*表示从黑色(0)到白色(100)的亮度，a*表示从绿色(-)到红色(+)，以及b*表示从蓝色(-)到黄色(+)。cielab被设计成使得这些值中相同量的数值变化对应于大致相同量的视觉感知变化。dl*(δl*)表示明度/暗度差或灰色阴影(黑色/白色)。这些值表示黑色颜料样品中的色调(颜色)。完美的黑色样品不反射色调并吸收所有波长的光。
[0108]
在一些实施例中，本文所述的黑色颜料具有相对于l*值为84.99的tio2参考空白悬浮液读取的l*值。在一些实施例中，l*值为约30至约75。在一些实施例中，l*值至少约为30。在一些实施例中，l*值至多约为75。在一些实施例中，l*值为约30至约35。本文所述的黑色颜料具有相对于a*值为-0.16的tio2参考空白悬浮液读取的a*值。在一些实施例中，a*值为约-0.47至约-0.2。在一些实施例中，a*值至少约为-0.47。在一些实施例中，a*值至多约为-0.2。本文所述的黑色颜料具有相对于b*值为+0.69的tio2参考空白悬浮液读取的b*值。在一些实施例中，b*值为约0.1至约1.5。在一些实施例中，b*值至少约为0.1。在一些实施例中，b*值至多约为1.5。本文所述的黑色颜料具有相对于dl*值为84.99的tio2参考空白悬浮液读取的dl*值。在一些实施例中，dl*值为约-50至约-15。在一些实施例中，dl*值为约-50或更低(较大负值)。在一些实施例中，dl*值为约-15或更高(较小负值)。
[0109]
在本文公开的技术的一些实施例中，当根据本文所述的黑色颜料颜色分析测试时，液体分散体中的颜料颗粒的随机样品被进一步表征为具有在48.0和58.0之间的范围内的l*值，其如相对于l*值为84.99的tio2参考空白悬浮液读取的，和具有在-0.23和-0.42之间的范围内的a*值，其如相对于a*值为-0.16的tio2参考空白悬浮液读取的，和具有在0.15和1.25之间的范围内的b*值，其如相对于b*值为0.69的tio2参照空白悬浮液读取的，和具有-26和-37之间的范围内的dl*值，其如相对于dl*值为84.99的tio2参照空白悬浮液读取的。
[0110]
在本文公开的技术的一些实施例中，当根据本文所述的黑色颜料颜色分析测试时，液体分散体中的颜料颗粒的随机样品进一步表征为具有在40.0和65.0之间的范围内的l*值，其如相对于l*值为84.99的tio2参考空白悬浮液读取的和具有在-0.15和-0.50之间的范围内的a*值，其如相对于a*值为-0.16的tio2参考空白悬浮液读取的和具有在0.1和1.5之间的范围内的b*值，其如相对于b*值为0.69的tio2参照空白悬浮液读取的和具有-20和-45之间的范围内的dl*值，其如相对于dl*值为84.99的tio2参照空白悬浮液读取的。
[0111]
在一些实施例中，分散体将单个颜料颗粒均匀地分布在整个液体介质中一段时间。在一些实施例中，分散体在容器底部没有沉降的颜料颗粒或在分散体的组分之间没有相分离。在一些实施例中，当水或溶剂与分散体分离时，发生相分离。在一些实施例中，分散体在一段时间内保持其密度，并且在稠度上不改变或变形。例如，在一些实施例中，分散体在一段时间后不凝胶化。在一些实施例中，颜料分散体增加色强度，产生更高的色牢度，具有低或高不透明度并具有其他性能特征。
[0112]
本文公开了称为“颜料分散体制剂”的特定类型的材料。在提及本文公开的技术时，术语“颜料分散体”和“分散体”是指颜料分散体制剂。在湿磨过程中，机械磨机装载有介质(通常为小珠或球体)，并且在本文公开的实施例中，还装载有生物炭原料和化学品，如用于促进将生物炭研磨成亚微米含碳颗粒的研磨流体或载体/活化剂。磨机具有高速旋转搅拌器轴。当搅拌器旋转时，它将动能传递到介质。将生物炭原料和化学品的装料以工艺流速泵送通过磨机。来自介质的能量作用于悬浮在液体(浆料)中的生物炭固体，以将其撕开(剪切)或压碎，将其减小到微小尺寸。颗粒同时分散在液体中，成为分散体制剂。将分散体制剂的组分在磨机中均化。
[0113]
在各种实施例中，分散体制剂可以用作磨机中的研磨基料，以将其衍生自生物碳的颗粒从几微米或更大的尺寸减小到更小的尺寸，甚至亚微米尺寸。这些结果是出乎意料
的，因为常规的湿磨和干磨工艺和化学稳定，其中粒径从未减小到直径低于几微米的任何实际程度。额外的研磨时间仅用于增加混合物的粘度，这最终迫使该过程终止。在研磨基料中包含微原纤化纤维素可能是这种成功的部分原因。
[0114]
在各种实施例中，当研磨过程完成时，将分散体制剂从磨机中排出，然后准备用作颜料分散体。微原纤化纤维素有助于保持颜料颗粒物悬浮。在一些实施例中，可以干燥分散体制剂，并将所得的微尺寸颗粒用于其他产品中。
[0115]
在一些实施例中，组合物包括分散剂。在本文公开的技术的一些实施例中，分散体包括约15-60％w
p
/w
t
的颜料颗粒和约15-60％wd/w
t
的分散剂，例如木质素磺酸钠或木质素磺酸分散剂或非结构化或结构化丙烯酸类聚合物或共聚物分散剂或非结构化或结构化丙烯酸酯聚合物或共聚物分散剂或羟基官能羧酸酯分散剂或苯乙烯马来酸酐分散剂，其中w
p
是颜料颗粒的重量，和wd是分散剂的重量，并且w
t
是分散体的总重量，并且分数表示为百分比。在一些实施例中，分散体为约20-60％w
p
/w
t
的颜料颗粒和约15-55％wd/w
t
的分散剂。在一些实施例中，分散体为约25-55％w
p
/w
t
的颜料颗粒和约15-50％wd/w
t
的分散剂。在一些实施例中，分散体为约30-50％w
p
/w
t
的颜料颗粒和约15-45％wd/w
t
的分散剂。在一些实施例中，分散体为约30-50％w
p/wt
的颜料颗粒和约15-40％wd/w
t
的分散剂。在一些实施例中，分散体为约20-50％w
p
/w
t
的颜料颗粒和约20-50％wd/w
t
的分散剂。在一些实施例中，分散体为约20-55％w
p
/w
t
的颜料颗粒和约25-45％wd/w
t
的分散剂。
[0116]
在本文公开的技术的一些实施例中，分散体包括颜料颗粒和包含具有颜料亲和基团的改性丙烯酸或丙烯酸酯共聚物的分散剂。在一些实施例中，该分散体还包括包含具有颜料亲和基团的羟基官能羧酸酯的分散体。
[0117]
在本文公开的技术的一些实施例中，分散体包括颜料颗粒和木质素磺酸钠或木质素磺酸钠盐基分散剂和具有颜料亲和基团的羟基官能羧酸酯。
[0118]
在一些实施例中，分散剂可包括以商品名efka、dispex、dispers、metolat、zetasperse、disperbyk、bykjet、e-sperse、solsperse、solplus、jeffsperse、k-sperse、disparlon、dispersogen、ajisper、lucramul或其任何组合销售或生产的商业产品。在一些实施例中，分散剂可包括在basf的efka px线、efka fa线、efka pu线、efka pa线、dispex ultra pa线、dispex ultra fa线、dispex ultra px线、dispex aa线、dispex cx线或其任何组合中销售或生产的任何分散剂。在一些实施例中，分散剂可包括tego dispers 745w、tego dispers 750w、tego dispers 760w、metolat 392(munzing)、bykjet 9170(byk)、bykjet 9151(byk)、bykjet 9152(byk)、byk-9076、byk-9077或其任何组合。在一些实施例中，分散剂可包括由basf、tego、evonik、munzing、byk、ethox、lubrizol、huntsman、king industries、clariant、ajinomotofine技术公司、silok、levaco或其任何组合销售或生产的任何分散剂。
[0119]
在一些实施例中，分散剂可包括高分子量分散剂并且可包括低分子量分散剂。在一些实施例中，分散剂可包括丙烯酸分散剂、丙烯酸酯、丙烯酸、丙烯酸酯酸、羧酸分散剂、羧酸、聚合物分散剂、聚丙烯酸和共聚物分散剂、聚丙烯酸、聚羧酸共聚物、聚羧酸、疏水性聚羧酸共聚物、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、铵盐两亲物、具有钠阳离子聚丙烯酸盐的磷酸盐、聚羧酸的铵盐、聚磷酸盐、聚电解质、聚氨酯、星形分散剂、梳状支化共聚物分散剂、嵌段共聚物、基于受控自由基聚合的嵌段共聚物(cfrp或crp)、季铵盐、高摩尔体积
(hmv)分散剂、苯乙烯/马来酸酐共聚物分散剂、苯乙烯/马来酸酐的钠盐、叔胺、烷醇-胺、合成酯、萘磺酸铵分散剂、乙氧基化线性脂肪醇、乙氧基化脂肪酸酯、失水山梨醇单月桂酸酯、吐温20、吐温80、硬脂酸、油酸、甘油二酯、皂化植物油、醚醇、高分子量聚合物的烷基铵盐、松馏出物、硫酸盐木质素、两亲性嵌段共聚物、丙烯酸酯二嵌段共聚物、膦酸酯聚合物分散剂、中和的膦酸酯聚合物分散剂、芳香族聚乙二醇醚磷酸盐、阴离子聚醚硫酸盐、脂肪族聚羧酸胺盐、含羧酸的改性聚合物、聚羧酸酯、极性酸性酯和高分子量醇的制剂、极性酸性酯、高分子量醇、聚氨基酰胺、聚醚、氮接枝聚合物、脂肪酸钙、聚烯烃、萘酸、萘磺酸、与甲醛的聚合物、表面官能化分散剂、三元共聚物、甲基丙烯酸苄酯的三元共聚物、甲基丙烯酸、硅酸钾、木质素磺酸铵、纯化的木质素磺酸盐、羟丙基磺化木质素、单官能油-环氧烷嵌段共聚物、烷基酚乙氧基化物分散剂、醇酸树脂、磺酸钙、钙盐、矿油精、磺酸锌、2-丁氧基乙醇、乙酸丁酯、聚酯磷酸酯的胺盐、磷酸胺盐、聚醚磷酸酯、具有磷酸基团的聚合物、脂质体、基于表面活性剂的分散剂、基于聚合物的分散剂、烷基多胺、聚乙烯蜡、硫酸化蓖麻油或磺化有机物质的水溶液、磺化聚合物、具有颜料亲和基团或粘合剂相容链的分散剂、低聚分散剂，包括基于脂肪酸的分散剂和脂肪酸改性的乳化分散剂，或其任何组合。
[0120]
在一些实施例中，分散剂可包括两亲性嵌段共聚物、聚羧酸酯和聚氨基酰胺、聚丙烯酸铵盐、木质素磺酸钠、聚氨酯基、卵磷脂、聚乙酸乙烯酯、受控聚合的具有颜料亲和基团的结构化丙烯酸酯共聚物、受控聚合的共聚物、受控聚合的结构化共聚物、聚酯磷酸酯、烷醇-胺、单硬脂酸甘油酯、苯乙烯/马来酸酐共聚物、氮接枝、甲基丙烯酸苄酯的三元共聚物、具有自由基聚合的嵌段共聚物、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、乙氧基化线性脂肪醇、单官能油-环氧烷嵌段共聚物、具有磷酸盐的阳离子聚丙烯酸盐、100％活性分散剂、非活性或半活性分散剂、单体分散剂或其任何组合。
[0121]
在一些实施例中，分散剂可包括受控聚合的具有颜料亲和基团的结构化丙烯酸酯共聚物、受控聚合的丙烯酸类嵌段共聚物、受控聚合的共聚物、受控聚合的具有颜料亲和基团的丙烯酸类嵌段共聚物、木质素磺酸钠盐、受控自由基聚合的丙烯酸酯嵌段共聚物或其任何组合。
[0122]
在一些实施例中，分散剂可包括丙烯酸和丙烯酸酯分散剂、木质素基分散剂、羟丙基纤维素、羟乙基纤维素、聚赖氨酸、十二烷基硫酸钠、癸基葡糖苷、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、二辛基磺基琥珀酸钠、壳聚糖、藻酸盐藻酸钠、solsperse 4300、单宁酸、天冬氨酸、硫酸明矾、乙酸明矾、聚季铵盐10、甘油、单硬脂酸甘油酯、甘油单酯和甘油二酯、富马酸、肉桂酸及其任何组合。在本文公开的技术的一些实施例中，分散体包括菜籽油。
[0123]
在一些实施例中，分散剂可包括阴离子、阳离子、电中性、非离子、静电、空间位阻、不可离子化、极性、非极性、中极性、两性表面活性剂、表面活性剂、大豆卵磷脂、大豆油、亚麻籽油、具有颜料亲和基团的高分子量共聚物的磷酸酯盐或其任何组合。
[0124]
在一些实施例中，分散剂可包括商业分散剂。在一些实施例中，商业分散剂包括vanisperse cb、amp 95、kraftsperse、bykjet 9171、byk 190、byk 191、bykjet 9152、disperbyk 2015、bykjet 9151、basf dispex ultra px 4585、marasperse cbos-4及其任何组合。
[0125]
在一些实施例中，组合物还包括任选的消泡剂。在一些实施例中，消泡剂是基于分
子的、基于油(矿物或植物)的、基于硅氧烷的、基于聚硅氧烷的、基于硅酮的、基于油-蜡的、基于油-二氧化硅的、基于二醇乳液的、基于聚丙烯酸酯的、基于改性脂肪酸的、基于聚醚的、基于改性胺的或其任何组合。在一些实施例中，消泡剂为byk 1740。
[0126]
在一些实施例中，组合物包括任选的抗凝剂。在一些实施例中，抗凝剂包括纤维素。在一些实施例中，纤维素为微原纤化纤维素。
[0127]
在一些实施例中，组合物包括任选的溶剂。在一些实施例中，溶剂为乙酸正丁酯、大豆酸甲酯、乳酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、矿油精、芳族化合物、酯、酮、乙醇或其任何组合。
[0128]
在一些实施例中，组合物包括任选的活化剂/载体。在一些实施例中，所述活化剂/载体包括低聚物、单体或光引发剂。在一些实施例中，所述活化剂/载体为不饱和聚酯、丙烯酸酯化聚酯、丙烯酸酯化环氧树脂、脂肪族丙烯酸酯化氨基甲酸酯、芳香族丙烯酸酯化氨基甲酸酯、丙烯酸酯化有机硅树脂、丙烯酸酯化聚醚、丙烯酸酯化三聚氰胺、丙烯酸酯化油、n-乙烯基氨基甲酸酯、巯烯、乙烯基单体、乙酸乙烯酯、n-乙烯基吡咯烷酮、单丙烯酸酯、二丙烯酸酯、三丙烯酸酯、四丙烯酸酯、五丙烯酸酯、烯丙基单体、增塑单体、增塑稀释剂、芳族酮、协同胺、烷基苯偶姻醚、噻吨酮和衍生物、苄基缩酮、酰基氧化膦、酮肟酯、酰基肟酯、季铵盐、苯乙酮衍生物、工程化微生物、脂肪酸、羧酸、生物可再生或生物质衍生的，或其任何组合。
[0129]
在一些实施例中，组合物还包括任选的防腐剂或杀生物剂。在一些实施例中，防腐剂或杀生物剂是辛酰氧肟酸、koralone、没食子酸丙酯、百里酚、丁子香酚、柠檬醛、肉桂醛、香芹酚、邻苯二甲醛、过乙酸、卡松(mit/cmit)、dmdm乙内酰脲或其任何组合。
[0130]
源材料
[0131]
在一些实施例中，炭由植物或动物制成。植物炭来源于植物(例如，树、草)，而动物炭来源于动物(例如，骨骼、牙齿、家禽垃圾)。植物炭通过以下特征中的一个或多个被鉴定为与动物炭不同：(1)动物炭通常含有超过40g/kg的总磷，而典型的植物炭中的总磷小于0.3g/kg，和(2)来自动物原料、褥草和消化物的炭的显微镜检查基本上没有孔，而植物基质变成多孔炭。
[0132]
在一些实施例中，植物炭为生物炭。在一些实施例中，生物炭由特意种植的作物如洋麻、柳枝稷、芒草和玉米产生。在一些实施例中，生物炭由报废生物质材料如畜肥、污水污泥以及农业和林业残余物产生。可用于生产生物炭的农业和林业残余物包括来自农作物(例如玉米、小麦、燕麦、高粱、玉蜀黍、卡诺拉和黑小麦)的残茬，收获残余物如稻壳、玉米穗轴、种子、果皮、坚果壳、咖啡浆和副产物。可用于生产生物炭的农业和林业残余物包括来自农作物(例如玉米、小麦、燕麦、高粱、玉蜀黍、卡诺拉和黑小麦)的残茬，收获残余物如稻壳、玉米穗轴、种子、果皮、坚果壳和咖啡浆。在一些实施例中，生物炭还可以由树木和树木生产的副产物如树皮、锯屑、刨花和来自树木的修剪过的枝条产生。树类型包括硬木和软木，其中一些品种的树被分类为硬木和软木。硬木包括橡木(包括白橡木、红橡木、白蜡树(包括黑梣和本州白蜡木)、桉树、竹子、枫木(包括佛罗里达枫木、黑枫木和糖枫木)、胡桃木、山核桃木(包括水山核桃木、苦山核桃木、光滑山核桃木、美国山核桃木、糙皮山核桃、小糙皮山核桃木、黑山核桃木和柔毛山核桃木)、樱桃木、棉白杨木、梧桐木、柳木、桦木、多花梾木、柿木、山毛榉木、水生皂荚、美国皂荚木、肯塔基咖啡树、美国冬青树、胡桃木(包括黑胡桃木)、
桑橙木、苹果木、桑树(包括白桑树和红桑树)和黄樟木。软木包括松树、火炬松、银铃木、灰胡桃木、枫香树、杨木(包括黄杨和银杨)、木兰树、月桂树、紫树和黑胶、毛泡桐、红月桂、梧桐木、棉白杨、香脂、山杨(包括大齿山杨和颤杨)、羽叶槭、雪松、柏树、云杉、花旗松、冷杉木、枫树(包括红枫树和银枫树)、七叶树(包括光叶七叶树和黄七叶木)、桦木(包括河桦、水桦、纸桦、灰桦)、锥栗(包括阿勒格尼锥栗和奥索卡锥栗)、棉白杨(包括东部杨木、异叶杨、黑色三角叶杨、利蒙三角叶杨和窄叶杨)、椴树(包括美洲椴树和白椴树)、榆树(包括岩榆、翅榆、美洲榆树、厚叶榆、西伯利亚榆树、滑榆树和秋榆)、梓树、落叶松、海岸红杉、朴木、密西西比朴、樱桃木(包括针樱桃木和黑樱桃木)、铁杉、白蜡树(包括美国白蜡木、洋白蜡树和绒毛白蜡树)、柳树(包括桃叶柳、黑柳和钻石柳)、日本雪松和贝壳杉。上述生物炭来源可以单独使用或组合使用。例如在美国专利us8361186b1
‑“
生物炭”、美国专利us8772559b2
‑“
生物炭发生器和相关方法”和美国专利us9809502b2
‑“
增强的生物炭”中公开了用于生产生物炭的方法和设备。
[0133]
在一些实施例中，本文公开了一种组合物，其具有约1-75重量％的衍生自生物炭的颗粒、10-40重量％的分散剂、约1-20重量％的任选的抗凝剂、约0.01-5重量％的任选的消泡剂和约0.001-5％的任选的防腐剂或杀生物剂。在一些实施例中，所述生物炭的量为5-70重量％。
[0134]
在一些实施例中，所述生物炭的量约为20-60重量％。在一些实施例中，所述生物炭的量约为30-50重量％。在一些实施例中，所述生物炭的量约为20-80重量％，包括其中所包含的所有范围。
[0135]
在一些实施例中，所述分散剂的量约为15-35重量％。在一些实施例中，所述分散剂的量约为15-30重量％。在一些实施例中，所述分散剂的量约为10-30重量％。在一些实施例中，所述分散剂的量约为20-30重量％。在一些实施例中，所述分散剂的量约为15-35重量％。在一些实施例中，所述分散剂的量约为20-25重量％。在一些实施例中，所述分散剂的量约为25-30重量％。在一些实施例中，所述分散剂的量约为1-40重量％，包括其中包含的所有范围。在一些实施例中，所述分散剂的量约为5-30重量％。在一些实施例中，所述分散剂的量约为5-40重量％。
[0136]
在一些实施例中，所述抗凝剂的量约为5-20重量％。在一些实施例中，所述抗凝剂的量约为1-15重量％。在一些实施例中，所述抗凝剂的量约为1-20重量％，包括其中包含的所有范围。
[0137]
在一些实施例中，所述消泡剂的量约为0.01-5.0重量％，包括其中所包含的所有范围。
[0138]
在一些实施例中，所述防腐剂或杀生物剂的量约为0.001-5重量％，包括其中包含的所有范围。
[0139]
在一些实施例中，所述生物炭不大于约70重量％。在一些实施例中，所述生物炭不大于约65重量％。在一些实施例中，所述生物炭不大于约55重量％。在一些实施例中，所述生物炭不大于约50重量％。在一些实施例中，所述生物炭不大于约45重量％。在一些实施例中，所述生物炭不大于约40重量％。在一些实施例中，所述生物炭不大于约30重量％。
[0140]
在一些实施例中，所述分散剂不大于约35重量％。在一些实施例中，所述分散剂不大于约30重量％。在一些实施例中，所述分散剂不大于约25重量％。在一些实施例中，所述
分散剂不大于约20重量％。在一些实施例中，所述分散剂不大于约15重量％。在一些实施例中，所述分散剂不大于约10重量％。
[0141]
在一些实施例中，所述抗凝剂不大于约20重量％。在一些实施例中，所述抗凝剂不大于约15重量％。在一些实施例中，所述抗凝剂不大于约10重量％。在一些实施例中，所述抗凝剂不大于约5重量％。
[0142]
在一些实施例中，所述消泡剂不大于约2.5重量％。在一些实施例中，所述消泡剂不大于约1.0重量％。在一些实施例中，所述消泡剂不大于约0.75重量％。
[0143]
在一些实施例中，所述防腐剂或杀生物剂不大于约5.0重量％。在一些实施例中，所述防腐剂或杀生物剂不大于约2.5重量％。在一些实施例中，所述防腐剂或杀生物剂不大于约1.0重量％。在一些实施例中，所述防腐剂或杀生物剂不大于约0.1重量％。在一些实施例中，所述防腐剂或杀生物剂不大于约0.01重量％。
[0144]
在一些实施例中，所述组合物不含石油，并且包括1-75重量％的生物炭、10-40重量％的分散剂、任选地1-20重量％的抗凝剂和任选地0.01-5重量％的消泡剂。
[0145]
颜料颗粒
[0146]
本文公开了颜料和颜料分散体的各种实施例，所述颜料分散体包括衍生自生物炭的含碳颗粒物。如本文所用，术语“颗粒”是指在炭黑颜料的描述中通常称为初级颗粒的类型的单个颗粒。如本文所用，术语“颗粒物”是指(1)颗粒簇，(2)颗粒链，或(3)单颗粒，单独或两种或所有三种的组合。
[0147]
本文公开的技术的特性的以下特性和特征可以作为独立的特征或特性应用，并且可以以两个或更多个特征或特性的组合应用。
[0148]
本文公开的技术的一些实施例提供了碳颜料球状颗粒的随机样品，其中按数量计至少99.7％的颗粒的最大直径小于25nm，如以放大倍数至少为50,000倍在扫描透射电子显微照相(stem)二维显微照片上所测量的。
[0149]
本文公开的技术的一些实施例提供了碳颜料球状颗粒的随机样品，其中按数量计至少95％的颗粒的最大直径小于25nm，如以放大倍数至少为50,000倍在扫描透射电子显微照相(stem)显微照片上所测量的。
[0150]
本文公开的技术的一些实施例提供了碳颜料球状颗粒的随机样品，其中按数量计至少99.7％的颗粒的最大直径小于50nm，如以放大倍数至少为50,000倍在扫描透射电子显微照相(stem)二维显微照片上所测量的。
[0151]
本文公开的技术的一些实施例提供了碳颜料球状颗粒的随机样品，其中按数量计至少95％的颗粒的最大直径小于50nm，如以放大倍数至少为50,000倍在扫描透射电子显微照相(stem)显微照片上所测量的。
[0152]
本文公开的技术的一些实施例提供了碳颜料球状颗粒的随机样品，其中按数量计至少99.7％的颗粒的最大直径在15nm和25nm之间的范围内，如以放大倍数至少为50,000倍在扫描透射电子显微照相(stem)二维显微照片上所测量的。
[0153]
本文公开的技术的一些实施例提供了碳颜料球状颗粒的随机样品，其中按数量计至少95％的颗粒的最大直径在15nm至25nm范围内，如以放大倍数至少为50,000倍在扫描透射电子显微照相(stem)显微照片上所测量的。
[0154]
本文公开的技术的一些实施例提供了碳颜料球状颗粒的随机样品，其中按数量计
至少99.7％的颗粒的最大直径在10nm和50nm之间的范围内，如以放大倍数至少为50,000倍在扫描透射电子显微照相(stem)二维显微照片上所测量的。
[0155]
本文公开的技术的一些实施例提供了碳颜料球状颗粒的随机样品，其中按数量计至少95％的颗粒的最大直径在5nm至500nm范围内，如以放大倍数至少为50,000倍在扫描透射电子显微照相(stem)显微照片上所测量的。
[0156]
图5和图6示出了具有球形形状的颗粒。球形形状的特征在于表现为没有明显椭球变形的球体。
[0157]
如本文所用，术语“碳颜料颗粒”是指至少80％纯元素碳的颗粒。
[0158]
在本文公开的技术的一些实施例中，亚微米碳颜料颗粒为植物炭颜料颗粒。
[0159]
如本文所用，术语“亚微米”碳颜料颗粒和“亚微米”碳颗粒是指其中至少99.9％的颗粒尺寸小于1微米的颗粒，如基于折射率为1.590、吸收率为0.010的聚苯乙烯胶乳作为标准品通过动态光散射所测量的。
[0160]
重要的是认识到，对于如本文所公开的具有球形或类球形、高mc和my值以及着色强度的衍生自生物炭的亚微米尺寸碳颗粒，所述颗粒是本文所公开的湿磨工艺和化学的结果。这些颗粒表征是出乎意料的，因为发现常规的湿磨和干磨工艺和化学不能实现形状的均匀性或接近单分散的质量，这导致低着色强度和低my和mc值。额外的研磨时间不能产生均匀的球形或类球形、高mc或my值或高着色强度。此外，在本文公开的典型制造方法中，步骤包括使用孔径大于本文公开的实施例的典型粒度(其通常远小于1微米)的过滤器，并且滤液形成分散体。这种相对较大孔径的过滤证明该方法而不是筛分是造成颜料组合物中的亚微米粒度分布、形状均匀性和接近单分散质量的原因。
[0161]
例如，图19是使用lacey stem工艺制备的图像，其示出了来自与本技术人无关的市售来源的生物质衍生的颜料颗粒。尽管这些颗粒被研磨(根据公司的网站)，但是它们没有实现本文公开的实施例的相同的优异特征。相反，小尺度纤维特征在图19中的颗粒表面上是明显的。该竞争性材料不表现出如本文所定义的光滑表面，如图27所示，图27示出了本文公开的实施例的光滑表面。此外，与示出本文公开的实施例的球形形状的图5和图6相比，图19中所示的颗粒表现出相当大的尺寸变化和与球形几何形状的偏差。
[0162]
本文公开的技术的一些实施例提供了碳颜料颗粒的随机样品，其具有如基于折射率为1.590、吸收率为0.010的聚苯乙烯胶乳作为标准品，通过基于强度的动态光散射测量的粒度分布，其平均粒度在115和120nm之间的范围内和多分散指数在0.170和0.200之间的范围内。
[0163]
本文公开的技术的一些实施例提供了亚微米碳颜料颗粒的随机样品，其具有如基于折射率为1.590、吸收率为0.010的聚苯乙烯胶乳作为标准品，通过基于强度的动态光散射测量的粒度分布，其平均粒度在165nm和171nm之间的范围内和多分散指数在0.10和0.15之间的范围内。
[0164]
本文公开的技术的一些实施例的特征在于亚微米碳颜料颗粒的随机样品，其具有基于折射率为1.590、吸收率为0.010的聚苯乙烯胶乳作为标准品，通过基于强度的动态光散射测量的粒度分布，其平均粒度在115至120nm范围内和多分散指数在0.170至0.200范围内。
[0165]
本文公开的技术的一些实施例的特征在于亚微米碳颜料颗粒的随机样品，其具有
基于折射率为1.590、吸收率为0.010的聚苯乙烯胶乳作为标准品，通过基于强度的动态光散射测量的粒度分布，其平均粒度在165nm和171nm之间的范围内和多分散指数在0.10和0.15之间的范围内。
[0166]
本文公开的技术的一些实施例的特征在于亚微米碳颜料颗粒的随机样品，其具有基于折射率为1.590、吸收率为0.010的聚苯乙烯胶乳作为标准品，通过基于强度的动态光散射测量的粒度分布，其平均粒度在115至120nm范围内和多分散指数在0.170至0.200范围内。
[0167]
本文公开的技术的一些实施例的特征在于亚微米碳颜料颗粒的随机样品，其具有基于折射率为1.590、吸收率为0.010的聚苯乙烯胶乳作为标准品，通过基于强度的动态光散射测量的粒度分布，其平均粒度在165nm和171nm之间的范围内和多分散指数在0.10和0.15之间的范围内。
[0168]
在本文公开的一些实施例中，在使用1800gr/mm光栅的波长为514.5nm的激光激发下，具有含碳颗粒物的组合物表现出g位置在1590(cm-1)至1595(cm-1)之间且i(d)/i(g)比在2.54至3.02之间的拉曼光谱。在本文公开的一些实施例中，在使用1800gr/mm光栅的波长为514.5nm的激光激发下，具有含碳颗粒物的组合物表现出g位置在1585(cm-1)至1600(cm-1)之间且i(d)/i(g)比在2.49至3.08之间的拉曼光谱。在本文公开的一些实施例中，在使用1800gr/mm光栅的波长为514.5nm的激光激发下，具有含碳颗粒物的组合物表现出g位置在1580(cm-1)至1605(cm-1)之间且i(d)/i(g)比在2.43至3.14之间的拉曼光谱。
[0169]
在本文公开的技术的一些实施例中，分散体包含15-50％w
p
/w
t
的颜料颗粒和15-50％wd/w
t
的木质素磺酸钠或木质素磺酸分散剂或非结构化或结构化丙烯酸类聚合物或共聚物分散剂或非结构化或结构化丙烯酸酯聚合物或共聚物分散剂或羟基官能羧酸酯分散剂或苯乙烯马来酸酐分散剂，其中w
p
是颜料颗粒的重量，wd是分散剂的重量，w
t
是分散体的总重量，并且分数表示为百分比。
[0170]
在本文公开的技术的一些实施例中，分散体包括15-50％w
p
/w
t
的颜料颗粒，和15-50％wd/w
t
的非结构化或结构化丙烯酸类聚合物或共聚物分散剂或非结构化或结构化丙烯酸酯聚合物或共聚物分散剂，或木质素磺酸钠或木质素磺酸钠盐基分散剂。当根据本文所述的黑色颜料颜色分析测试时，该分散体的特征是l*值在48.0至58.0之间的范围内，其如相对于l*值为84.99的tio2参考空白悬浮液读取的，和a*值在-0.23至-0.42之间的范围内，其如相对于a*值为-0.16的tio2参考空白悬浮液读取的，和b*值在0.15至1.25之间的范围内，其如相对于b*值为0.69的tio2参考空白悬浮液读取的，和dl*值在-26至-37之间的范围内，其如相对于dl*值为84.99的tio2参考空白悬浮液读取的，其中w
p
是颜料颗粒的重量，wd是分散剂的重量，w
t
是分散体的总重量，分数表示为百分比。
[0171]
在本文公开的技术的一些实施例中，分散体包括15-50％w
p
/w
t
的颜料颗粒，和15-50％wd/w
t
的非结构化或结构化丙烯酸类聚合物或共聚物分散剂或非结构化或结构化丙烯酸酯聚合物或共聚物分散剂，或木质素磺酸钠或木质素磺酸钠盐基分散剂。当根据本文所述的黑色颜料颜色分析测试时，该分散体的特征是l*值在40.0和65.0之间的范围内，其如相对于l*值为84.99的tio2参考空白悬浮液读取的，a*值在-0.15和-0.50之间的范围内，其如相对于a*值为-0.16的tio2参考空白悬浮液读取的，b*值在0.1和1.5之间的范围内，其如相对于b*值为0.69的tio2参考空白悬浮液读取的，dl*值在-20和-45之间的范围内，其如相
对于dl*值为84.99的tio2参考空白悬浮液读取的，其中w
p
是颜料颗粒的重量，wd是分散剂的重量，w
t
是分散体的总重量，并且分数表示为百分比。
[0172]
在本文公开的技术的一些实施例中，分散体包括颜料颗粒和包含具有颜料亲和基团的改性丙烯酸或丙烯酸酯共聚物的分散剂。在一些实施例中，该分散体还包括包含具有颜料亲和基团的羟基官能羧酸酯的分散体。
[0173]
在本文公开的技术的一些实施例中，分散体包括颜料颗粒和木质素磺酸钠或木质素磺酸钠盐基分散剂和具有颜料亲和基团的羟基官能羧酸酯。
[0174]
在本文公开的技术的一些实施例中，分散体包括菜籽油。
[0175]
在本文公开的技术的一些实施例中，植物炭为生物炭。
[0176]
颗粒形态和鉴定
[0177]
在一些实施例中，本文公开了具有衍生自生物炭的含碳颗粒的颜料分散体组合物，所述含碳颗粒形成为具有光滑表面的颗粒(如图27所示)。如本文所用，术语“光滑表面”是指当用lacey stem工艺成像时显示出近似的空间均匀性和一致性的颗粒表面，并且其中表面高度的局部变化具有波浪状形式，并且表面高度变化没有粗糙度或角度。
[0178]
图1a、1b、2a和2b示出了具有类球形形态的颗粒。类球形形态的特征在于颗粒形状，与完美的球体相比，颗粒形状可以是稍微扁球形或椭圆形。
[0179]
在本文公开的技术的一些应用中，可能期望使用衍生自生物炭的含碳颗粒作为石油衍生的炭黑的直接替代物。astm国际保持astm标准d3053，“涉及炭黑的标准术语”，其具体涉及衍生自石油的炭黑。d3053将炭黑定义为“工程材料，主要由元素碳组成，由烃的部分燃烧或热分解获得，作为由球状初级颗粒组成的葡萄串状形态的聚集体存在，所述球状初级颗粒在给定聚集体内表现出一次粒度的均匀性和在初级颗粒内的乱层分层”。一般科学文献通常将乱层结构描述为具有以随意折叠或破碎方式布置的碳层。初级颗粒中的乱层结构表现为纳米级或更小的特征。
[0180]
大多数商业炭黑由石油生产。在本文公开的一些实施例中，衍生自生物炭的碳颗粒基本上符合astm标准d3053中炭黑定义的第一部分的大部分：“一种工程材料，主要由元素碳组成，由烃的部分燃烧或热分解获得，作为由球状初级颗粒组成的葡萄串状形态的聚集体存在，所述球状初级颗粒在给定聚集体内表现出一次粒度的均匀性。与本文公开的衍生自生物炭的碳颗粒的实施例相比，炭黑的astm d3053定义的第一部分之间的一个差异是astm d3053定义的炭黑“由烃[c+h]的部分燃烧或热分解获得”，而衍生自生物炭的碳颗粒由碳水化合物(c+h+o)的热解或热分解获得。另一个区别在于，在衍生自生物炭的碳颗粒的大多数应用中，炭黑的定义的最后部分(即，“初级颗粒内的乱层分层”)不影响本文所述的颜料特性，并且不需要评估。
[0181]
炭黑的astm d3053定义是指“葡萄串状形态”。葡萄串状形态通常理解为是指“形状像成串葡萄”。这部分描述了本文公开的包括衍生自生物炭的含碳颗粒的颜料组合物的某些实施例。然而，包括衍生自生物炭的含碳颗粒的颜料组合物的更完整的术语是“链状葡萄串状形态”。如本文所用，术语“链状葡萄串状形态”是指两个葡萄状颗粒簇，其通过至少一个仅与两个其他颗粒连接的颗粒相互连接。
[0182]
图20和21示出了第一颗粒簇a、b、c和d以及第二颗粒簇1、2、3、4。在图20中，第一颗粒簇和第二颗粒簇通过仅与两个其他颗粒(“c”和“2”)连接的颗粒“+”连接。在图21中，第一
颗粒簇和第二颗粒簇通过颗粒“+”和“++”互连。颗粒“+”仅与到颗粒“c”和“++”连接，并且颗粒“++”仅与颗粒“+”和“2”连接。
[0183]
图5a(带有图5的注释)示出了葡萄状簇(显示为圆圈)和仅与两个其他颗粒连接的互连颗粒(通过指向箭头标识)，证明了链状葡萄串状形态。
[0184]
通常已知在液体中由石油衍生的炭黑产生称为“结构”的簇。术语“高结构”是指具有大量分支的簇，而“低结构”是指具有少量分支的簇。这些簇通常被称为“瞬态结构”，因为这些结构可以用研磨或力破碎。相比之下，并且令人惊讶的是，本文公开的衍生自生物炭的含碳颗粒的一些实施例通过研磨或力形成结构(例如，链状葡萄串状形态)。
[0185]
碳颗粒中结构的一个度量是吸油值(oan)。oan是在特定条件下由100g炭黑吸收的邻苯二甲酸二丁酯(dbp)或石蜡油的立方厘米数。oan值与炭黑的结构水平的聚集程度成比例。高oan数对应于高结构，即聚集体的高度分支和聚簇。使用astm d2414“样品的油吸收值(oan)”测定具有衍生自生物炭的含碳颗粒物的颜料样品的oan值，其中邻苯二甲酸二丁酯(dbp)用作油。进行该测试的程序在该标准中是足够的，而不需要进一步阐述。
[0186]
根据astm d2414测试如本文公开的具有衍生自生物炭的含碳颗粒物的颜料分散体制剂的原料样品，结果是oan值为136.4ml/100g。这是令人惊讶的，因为松散的黑色石油炭黑的oan通常小于约132ml/100g。
[0187]
再次参考市售的生物质衍生的颜料颗粒和描绘竞争性产品的显微照片的图19，在433.6nm、427.5nm和549.5nm处测量三个单独的颗粒。这些颗粒比本文公开的具有直径小于100nm的颗粒的实施例大得多。此外，如图19所示，来自与本技术人无关的市售来源的生物质衍生的颜料颗粒不表现出本文公开的链状葡萄串状形态。这种差异从图23中进一步显而易见。图23示出了在由lacey stem工艺制成的显微照片图像中具有特征的“幅材”。图23还示出了在一些情况下，可能存在图像的部分(标记为a、b和c)，其在确定什么表示颗粒以及什么表示幅材的不均匀性时呈现一些模糊性。可以通过参考在没有透射的情况下处理的图像来解决这些模糊性，以便不透视颗粒。这种变化如图24所示。图24的图像中描绘的材料与图23中的材料相同，除了图24的图像的放大倍数为30,000倍(与图23中的100,000倍相比)，因此物体在图24中看起来更小。尽管如此，从图24明显看出，区域a、b和c不是颗粒的图像。
[0188]
图25结合图26示出了来自衍生自生物质的颜料的商业来源的颗粒不表现出从图27中显而易见的本公开的实施例的光滑表面。根据图26，解决了图25中从lacey stem工艺成像的颗粒表面的粗糙度的任何模糊性，图26描绘了没有电子传输的图25的相同颗粒。
[0189]
鉴于在本公开的优先权日的含碳颜料的现有技术，本文公开的具有链状葡萄串状形态的衍生自生物炭的含碳颗粒的实施例是非常出乎意料的。
[0190]
在一些实施例中，特别是在用流体研磨并干燥并用溅射方法成像的颗粒的实施例中，由植物炭制成的颜料颗粒的聚集体的形态显示颗粒表面和形状。在一些实施例中，本文公开了形成为大部分单个颗粒的颜料碳颗粒(如图1a、1b、2a和2b所示)。当用lacey stem工艺成像时，预期这样的颗粒将表现出链状葡萄串状形态。
[0191]
本文公开了评估作为潜在颜料的有效性的各种生物炭和生物炭的组合。评估的特征包括表面积、表面基团、纯碳含量、灰分含量、与分散剂的相容性、聚芳族烃的量以及由研磨生物炭产生的颗粒的尺寸。使用以下一个或多个标准来选择用于研磨颜料的合适的植物炭原料：表面积高于200m2/g；碳含量≥80％；灰分含量≤20％；与分散剂的高相容性；多环
芳烃(pah)含量≤50mg/kg；和将原料研磨至小于1微米的d90粒度的能力。在一些实施例中，与分散剂的高相容性是以下中的一种或多种：在分散体中最小20％的颜料负载，同时还在碾磨或研磨期间保持低粘度；在研磨或碾磨期间最小或没有胶凝；研磨后几乎没有相分离；通过在60℃下烘箱测试5周的稳定粘度；并且稳定储存至少1个月。
[0192]
石油炭黑(pcb)颗粒聚集在一起以形成熔融的小分支。如果形成多个分支，则这有时被称为“高”结构，并且如果仅形成一个或两个分支，则这有时被称为“低”结构。通常，高结构改善了碳的分散性，但降低了黑度。出乎意料的是，本文公开的衍生自生物炭的含碳颗粒物的分散体的实施例具有相对高的结构并且还表现出优异的黑度。
[0193]
pcb可以倾向于棕色或其他颜色，通常称为“泛金光”。在一些实施例中，本文公开了具有更真实的黑色的颗粒。该特性被称为墨色。使用pcb，蓝黑通常需要最小的初级颗粒尺寸，例如10nm。在一些实施例中，本文公开了具有较大尺寸(诸如25nm)的初级颗粒，其实现蓝黑色。优点是更容易以优选的黑色色调分散。
[0194]
在一些实施例中，本文公开的炭颗粒为100％生物可再生的。
[0195]
根据以下“pah方案”测试用于颜料分散体制剂的生物炭原料样品的pah含量，所述颜料分散体制剂包括衍生自生物炭的含碳颗粒物。
[0196]
使用环境保护署(epa)方法测试样品：sw846 8270c，半挥发性有机化合物通过气相色谱/质谱(gc/ms)
[0197]
方法8270用于测定从许多类型的固体废物基质、土壤、空气取样介质和水样品制备的提取物中的半挥发性有机化合物的浓度。
[0198]
通过epa方法sw846 3546进行提取
[0199]
使用epa方法sw846 8270c测试提取物的半挥发性有机化合物或pahs
[0200]
在一些实施例中，本文公开的炭颗粒具有不可检测(nd)量的多环芳烃(pah)，如以下测试结果所示。
[0201]
[0202][0203]
cas号替代品的回收率运行#1运行#2限值321-60-82-氟联苯21％b1％b23-130％4165-60-0硝基苯-d531％6％b12-131％1718-51-0三联苯-d141％0％b29-141％
[0204]
(a)超过保持时间提取的样品。
[0205]
(b)由于基质干扰而超出控制限值。通过再提取和再分析确认。
[0206]
nd＝未检测到
[0207]
mdl＝方法检测限
[0208]
rl＝报告限度
[0209]
e表示数值超出校准范围
[0210]
j表示估计值
[0211]
b表示在相关方法空白中发现的分析物
[0212]
n表示化合物的推定证据
[0213]
在一些实施例中，pah含量可以小于表1中的以下量，其通常比pcb少90％。
[0214]
表1
[0215][0216][0217]
应用
[0218]
本文公开的颜料分散体的一些实施例适用于数字(喷墨)印刷。在一些实施例中，数字墨水用于消费者家用打印机，和/或用于纺织品、横幅、纸张、包装和其他材料的着色。在一些实施例中，本文公开的分散体适用于多种类型的印刷和着色，包括但不限于丝网印刷、旋转印刷、胶版印刷、柔版印刷、凹版印刷、连续颜料染色、轧染、原液染色、溶液染色、泡沫涂布、喷涂或木刻版印刷。在一些实施例中，本文公开的分散体适用于皮革或聚氨酯涂料、纸张涂料、工业涂料、油漆和木材着色。在一些实施例中，本文公开的分散体适用于包装，例如食品包装或纸板盒，并且适用于压印塑料或金属膜。在一些实施例中，本文公开的分散体适用于着色非水性聚合物，包括模制形式和纤维。
[0219]
制造方法
[0220]
制造用于着色的颗粒和分散体的各种方法可用于制造本文公开的颜料和分散体。可以通过以下实施例中任一项的方法制备颜料组合物。
[0221]
在一些实施例中，一种方法包括以下步骤：
[0222]
(a)将生物炭和分散剂组合并混合以形成第一混合物；
[0223]
(b)向第一混合物中加入水和任选的消泡剂和任选的抗凝剂并混合以形成第二混合物；
[0224]
(c)使所述第二混合物静置一段静置时间并任选地从顶部滗析水，以形成第三混合物；
[0225]
(d)在具有0.1-1.0mm的珠粒的介质研磨机或球磨机中以50-200ml/min的流速研磨所述第三混合物1-8小时以形成第四混合物；以及
[0226]
(e)在真空下通过0.1-10微米过滤器过滤所述第四混合物；
[0227]
其中步骤(a)和(b)任选地在真空下进行，并且滤液为颜料分散体组合物。
[0228]
在一些实施例中，手动或用z形叶片混合器混合所述第一混合物。在一些实施例中，将所述第二混合物用高剪切搅拌器混合30-60分钟。在一些实施例中，静置期为1-24小时，或使得水均匀地覆盖所述第二混合物的表面。在一些实施例中，球磨机介质为0.5mm或0.3mm。在一些实施例中，流速为80-100ml/min。在一些实施例中，将所述第三混合物研磨3-4小时。在一些实施例中，所述过滤器是聚丙烯袋。在一些实施例中，所述过滤器是1-5微米聚丙烯袋。在一些实施例中，所述过滤器是在机械研磨机的出口点处的筛网。在一些实施例中，该筛网过滤器尺寸为1-10微米。
[0229]
在一些实施例中，一种方法包括以下步骤：
[0230]
(a)将分散剂和研磨流体，和任选的消泡剂，和任选的抗凝剂组合并混合以形成第一混合物；
[0231]
(b)将生物炭原料添加到所述第一混合物中并混合以形成第二混合物；
[0232]
(c)用直径为0.1-1.0mm的珠粒以7-200ml/min的流速研磨所述第二混合物1-8小时，形成第三混合物；以及
[0233]
(d)在真空下通过平均孔径为1至10微米的过滤器过滤所述第三混合物，其中滤液为颜料组合物。
[0234]
在一些实施例中，步骤(a)的研磨流体包括水。在一些实施例中，步骤(a)的研磨流体包括溶剂。在一些实施例中，步骤(b)的混合使用机械搅拌器分批进行30-60分钟以形成所述第二混合物。在一些实施例中，步骤(b)在真空或脱气器下进行。在一些实施例中，所述过滤器是聚丙烯袋。在一些实施例中，所述过滤器是1-5微米聚丙烯袋。在一些实施例中，所述过滤器是在机械研磨机的出口点处的筛网。在一些实施例中，该筛网过滤器尺寸为1-10微米。在一些实施例中，步骤(d)的滤液在真空下脱气以形成颜料组合物。
[0235]
在一些实施例中，一种方法包括以下步骤：
[0236]
(a)将分散剂和任选的一种或多种单体，和任选的一种或多种低聚物，和任选的抗凝剂组合并混合以形成第一混合物
[0237]
(b)将生物炭原料添加到所述第一混合物中并混合以形成第二混合物
[0238]
(c)用三辊磨机研磨所述第二混合物，其中进行1-8道次研磨
[0239]
(d)在真空下通过平均孔径为1至10微米的过滤器过滤所述第三混合物，并且所述滤液为所述颜料组合物。
[0240]
步骤(a)和(b)任选地在真空或脱气器下进行。
[0241]
在一些实施例中，用本文公开的技术生产的颜料颗粒的原料是作为颗粒状固体提供的植物炭原料。在优选的实施例中，植物炭是生物炭。在一些实施例中，在微介质球磨机中研磨颗粒状固体。在一些实施例中，可以单独地或一次一个地使用0.3mm或0.5mm珠粒以实现最小粒度。在一些实施例中，研磨过程将这些固体材料掺入液体载体或研磨树脂中。在一些实施例中，粒状固体在三辊研磨机中研磨。在一些实施例中，颗粒状固体在卧式磨机上研磨。在这些过程中的每一个期间，颗粒状固体的生物炭原料被转化成颗粒物的分散体。
[0242]
实验的评估包括生物炭颗粒的分散体。根据以下一般制备步骤制备分散体。
[0243]
步骤1将颜料原料(例如木材生物炭)和分散剂称重并加入混合容器中，并手动混合或用z形叶片混合器混合。
[0244]
步骤2将水和助剂如消泡剂、抗凝剂和任选的抗微生物剂加入混合物中。使用高剪切搅拌器如ross混合器或cowles混合器将混合物混合30-60分钟。对于一些制剂，在真空下进行预混合以帮助润湿颜料。
[0245]
步骤3将混合物静置1-24小时以“润湿”，使水完全覆盖材料的表面积。将水从混合物的顶部滗析。
[0246]
步骤4将滗析的混合物置于具有0.5mm或0.3mm珠粒的介质研磨机或球磨机中，这取决于混合物中的颜料百分比。研磨以80-100ml/min的流速开始，并根据研磨机和制剂的类型运行3-4小时。形成分散体。
[0247]
步骤5使用真空，基于最终应用需要，将分散体通过1-5微米聚丙烯袋式过滤器过滤，以除去任何大颗粒。
[0248]
制剂
[0249]
制剂1
[0250]
制剂1是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为35％竹木生物炭，10％100％活性梳形支化共聚物分散剂，其余为乙酸异丙酯。
[0251]
制剂2
[0252]
制剂2是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为40％橡木生物炭、26％芳族聚乙二醇醚磷酸酯分散剂、9％微原纤化纤维素、0.5％油-二氧化硅基消泡剂，其余为去离子水。
[0253]
制剂3
[0254]
制剂3是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为35％棉白杨木生物炭、30％聚醚磷酸酯分散剂、8％微原纤化纤维素、0.5％分子基消泡剂，其余为去离子水。
[0255]
制剂4
[0256]
制剂4是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为40％动物骨生物炭、10％羧酸分散剂、10％微原纤化纤维素、0.2％硅酮基消泡剂，其余为去离子水。
[0257]
制剂5
[0258]
制剂5是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为70％蓝果树木材生物炭、13％聚丙烯酸铵盐分散剂、8％微原纤化纤维素、0.5％油-蜡基消泡剂，其余为去离子水。
[0259]
制剂6
[0260]
制剂6是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为30％竹木生物炭、5％100％活性结构化丙烯酸共聚物、30％低聚物和35％单体共混物。
[0261]
制剂7
[0262]
制剂7是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为50％雪松木生物炭、15％聚氨酯基分散剂、8％微原纤化纤维素、0.5％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0263]
制剂8
[0264]
制剂8是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为50％竹木生物炭、20％卵磷脂分散剂、8％微原纤化纤维素、0.5％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0265]
制剂9
[0266]
制剂9是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为50％雪松木生物炭、25％聚醋酸乙烯酯分散剂、8％微原纤化纤维素、0.5％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0267]
制剂10
[0268]
制剂10是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为20％枫木生物炭、10％具有颜料亲和基团的高分子量共聚物的磷酸酯盐、70％乙酸乙酯。
[0269]
制剂11
[0270]
制剂11是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为40％松木生物炭，25％受控聚合的具有颜料亲和基团的结构化丙烯酸酯共聚物分散剂，5％微原纤化纤维素，0.5％油基消泡剂，其余为去离子水。参见下文的表征数据。
[0271]
制剂12
[0272]
制剂12是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为68％桦树生物炭、22％乙氧基化脂肪酸酯分散剂，其余为去离子水。
[0273]
制剂13
[0274]
制剂13是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为35％棉白杨树生物炭、30％苯乙烯/马来酸酐共聚物分散剂、2.5％乙二醇乳液消泡剂、3.0％辛酰氧肟酸防腐剂，其余为去离子水。
[0275]
制剂14
[0276]
制剂14是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为15％榆树生物炭、20％脱水山梨糖醇单月桂酸酯分散剂、8％微原纤化纤维素抗凝剂、0.3％改性脂肪酸基消泡剂，其余为去离子水。
[0277]
制剂15
[0278]
制剂15是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为43％日本雪松树生物炭、47％氮接枝聚合物分散剂、0.5％油基消泡剂、1.0％邻苯二甲醛防腐剂，其余为去离子水。
[0279]
制剂16
[0280]
制剂16是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为30％杨树生物炭、25％木质素磺酸钠盐分散剂、5％微原纤化纤维素、0.5％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0281]
制剂17
[0282]
制剂17是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为20％松木树生物炭、15％受控自由基聚合的丙烯酸酯嵌段共聚物分散剂、5％微原纤化纤维素、0.5％油基消泡剂，其余为非去离子水。
[0283]
制剂18
[0284]
制剂18是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为65％雪松树生物炭、15％聚氨酯基分散剂、10％微原纤化纤维素抗凝剂、0.5％油-二氧化硅基消泡剂，其余为去离子水。
[0285]
制剂19
[0286]
制剂19是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为55％棉白杨树生物炭、20％乙氧基化脂肪酸酯分散剂、10％微原纤化纤维素、0.6％硅酮基消泡剂，其余为去离子水。
[0287]
制剂20
[0288]
制剂20是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为42％山核桃树生物炭、20％脱水山梨糖醇单月桂酸酯分散剂、10％微原纤化纤维素、0.6％油-蜡基消泡剂，其余为去离子水。
[0289]
制剂21
[0290]
制剂21是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为70％杨树生物炭、15％乙酸丁酯分散剂、2％微原纤化纤维素抗凝剂、0.5％油基消泡剂、0.1％没食子酸丙酯防腐剂，其余为去离子水。
[0291]
制剂22
[0292]
制剂22是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为54％榆树生物炭、20％乙酸丁酯分散剂、10％微原纤化纤维素、2.0％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0293]
制剂23
[0294]
制剂23是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为46％榆树生物炭、40％聚醚磷酸酯分散剂、10％微原纤化纤维素、0.8％油-蜡消泡剂，其余为去离子水。
[0295]
制剂24
[0296]
制剂24是通过上述一般方法配制的分散体。制剂为43％铁杉树生物炭、15％烷醇-胺分散剂、6％微原纤化纤维素，其余为去离子水。
[0297]
制剂25
[0298]
制剂25是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为23％棉白杨树生物炭、20％单硬脂酸甘油酯分散剂、5％微原纤化纤维素、2.0％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0299]
制剂26
[0300]
制剂26是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为25％羽叶槭树生物炭、20％苯乙烯/马来酸酐共聚物分散剂、8％微原纤化纤维素、0.05％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0301]
制剂27
[0302]
制剂27是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为14％泡桐树生物炭、40％聚醋酸乙烯酯分散剂、6％微原纤化纤维素、0.8％硅酮基消泡剂，其余为去离子水。
[0303]
制剂28
[0304]
制剂28是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为41％山核桃树生物炭、40％季铵盐分散剂、7％微原纤化纤维素、2.5％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0305]
制剂29
[0306]
制剂29是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为60％松树生物炭、24％甲基丙烯酸苄酯三元共聚物分散剂、8％微原纤化纤维素、0.5％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0307]
制剂30
[0308]
制剂30是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为63％白桦树生物炭、24％脂肪酸钙分散剂、13％微原纤化纤维素、0.5％油-蜡基消泡剂，其余为去离子水。
[0309]
制剂31
[0310]
制剂31是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为45％杉树生物炭、24％季铵盐分散剂、14％微原纤化纤维素，其余为溶剂。
[0311]
制剂32
[0312]
制剂32是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为23％杉树生物炭、35％聚氨酯基分散剂、14％微原纤化纤维素、0.7％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0313]
制剂33
[0314]
制剂33是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为40％铁杉树生物炭、15％聚羧酸分散剂、17％微原纤化纤维素、0.7％硅酮基消泡剂，其余为去离子水。
[0315]
制剂34
[0316]
制剂34是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为43％落叶松树生物炭、15％聚丙烯酸钾分散剂、0.09％硅氧烷消泡剂，其余为去离子水。
[0317]
制剂35
[0318]
制剂35是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为61％日本雪松树生物炭、10％羟乙基甲基纤维素分散剂、10％微原纤化纤维素、0.8％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0319]
制剂36
[0320]
制剂36是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为52％泡桐树生物炭、10％皂化植物油分散剂、10％微原纤化纤维素、0.9％油基消泡剂，其余为去离子水。
[0321]
制剂37
[0322]
制剂37是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为53％咖啡浆生物炭、20％2-氨基-2甲基-1-丙醇分散剂、10％微原纤化纤维素、0.7％有机硅消泡剂，其余为去离子水。
[0323]
制剂38
[0324]
制剂38是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为41％日本雪松树生物炭、30％聚乙烯蜡分散剂、15％微原纤化纤维素、0.9％乙二醇乳液消泡剂，其余为去离子水。
[0325]
制剂39
[0326]
制剂39是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为46％梧桐树生物炭、20％乙氧基化线性脂肪醇分散剂、15％微原纤化纤维素、0.8％油-蜡消泡剂，其余为去离子水。
[0327]
制剂40
[0328]
制剂40是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为45％红月桂树生物炭、10％烷基多胺分散剂、15％微原纤化纤维素、0.9％油-二氧化硅消泡剂，其余为去离子水。
[0329]
制剂41
[0330]
制剂41是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为40％红月桂树生物炭、20％醇酸树脂分散剂、20％微原纤化纤维素、1.0％油-二氧化硅基消泡剂，其余为去离子水。
[0331]
制剂42
[0332]
制剂42是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为35％榆树生物炭、30％单官能油-环氧烷嵌段共聚物分散剂、20％微原纤化纤维素，其余为去离子水。
[0333]
制剂43
[0334]
制剂43是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为40％榆树生物炭、25％甲基丙烯酸分散剂、10％微原纤化纤维素、0.5％聚醚基消泡剂，其余为去离子水。
[0335]
制剂44
[0336]
制剂44是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为40％榆树生物炭、25％硬脂酸分散剂、10％微原纤化纤维素、0.5改性脂肪酸基消泡剂，其余为去离子水。
[0337]
制剂45
[0338]
制剂45是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为40％榆树生物炭、25％阴离子聚醚硫酸盐分散剂、10％微原纤化纤维素、0.5％硅酮基消泡剂，其余为去离子水。
[0339]
制剂46
[0340]
制剂46是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为40％榆树生物炭，25％阳离子聚丙烯酸盐与磷酸盐分散剂，10％微原纤化纤维素，0.5％硅氧烷消泡剂，其余为去离子水。
[0341]
制剂47
[0342]
制剂47是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为40％白蜡树生物炭、40％乙氧基化脂肪酸酯分散剂、15％微原纤化纤维素抗凝剂，其余为去离子水。
[0343]
制剂48
[0344]
制剂48是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为40％白蜡树生物炭、40％乙酸丁酯分散剂、0.5％基于硅酮的消泡剂、0.1％凯松防腐剂，其余为去离子水。
[0345]
制剂49
[0346]
制剂49是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为23％榆树生物炭、57％氮接枝聚合物分散剂、10％微原纤化纤维素抗凝剂、0.3％油基消泡剂、0.005％辛酰氧肟酸防腐剂，其余为去离子水。
[0347]
制剂50
[0348]
制剂50是通过上述一般方法配制的分散体。该制剂为65％白桦树生物炭、25％脂肪酸钙分散剂、5％微原纤化纤维素抗凝剂、0.75％油-二氧化硅基消泡剂、0.09％过乙酸防腐剂，其余为去离子水。
[0349]
制剂的表征
[0350]
扫描电子显微镜(sem)和扫描透射电子显微照相(stem)成像
[0351]
如图1a、1b、2a和2b所示，使用“溅射工艺”在sem显微照片上对如本文公开的具有衍生自生物炭的含碳颗粒的颜料分散体组合物的一些实施例进行成像。溅射工艺是扫描电子显微镜(sem)的特定形式。它通常用于重建样品的形貌并提供其图像。对于图1a、1b、2a和2b中的图像，将分散体样品在成像基底上干燥。因为sem使用电子来产生图像，所以样品必须是导电的。因此，在溅射过程中，在使样品成像之前，将金属薄层施加到干燥的颗粒上。这就是溅射。通常，使用leica em scd005溅射涂布机或等同物。对于图1a、1b、2a和2b中的sem图像，金属层的溅射用60ma的电流进行25秒。溅射膜的厚度范围通常为2-20nm。
[0352]
使用nova nanosem 45产生图1a、1b、2a和2b的图像。sem使用电压约5kv的聚焦电子束和可在80-140μa之间变化的发射电流。束与样本反应，且一个或多个检测器收集所得电子以形成图像。对于溅射工艺，通常使用sed everhart-thornley检测器(etd)作为检测器。成像在真空下进行，使得没有任何东西干扰束中的电子。用溅射工艺获得的图片是不透明的。
[0353]
图1a和1b示出了从根据制剂16的第一生物炭颜料分散体组合物成像的衍生自生物炭的颗粒物的随机样品，图2a和2b示出了从根据制剂17的第二生物炭颜料分散体组合物成像的衍生自生物炭的颗粒物的随机样品。在图1b中，两个代表性颗粒由周围的椭圆形圆圈表示，其中图像的右上部中的颗粒直径为46.62nm，并且图像的右下部中的更多的颗粒直径为40.80nm。在图2b中，两个代表性颗粒由周围的椭圆形圆圈表示，其中图像的中右部中
的颗粒直径为53.45nm，并且图像的右下方更多的颗粒直径为64.11nm。显微镜工作者注意到，图1a、1b、2a和2b示出了每种分散体的单分散性或接近单分散性，这意味着看起来颗粒都是大约相同的尺寸。来自第一生物碳颜料分散体的微粒的直径在40nm与50nm之间，并且来自第二生物碳分散体的微粒的直径在50nm与65nm之间。
[0354]
图3、4、5和6是颜料颗粒的随机样品的stem图像，其中按数量计至少95％的颗粒或至少100个颗粒的直径在15nm与25nm之间的范围内。图3和4是从制剂16收集的生物炭颗粒的stem图像。图5和6是从制剂17收集的生物炭颗粒的stem图像。
[0355]
将如本文公开的具有衍生自生物炭的含碳颗粒的颜料分散体组合物的一些实施例在stem显微照片上成像，在本文中称为“stem工艺”。示例是图3和图4。使用如本文所定义的“lacey stem工艺”对如本文所公开的具有衍生自生物炭的含碳颗粒的颜料分散体组合物的一些实施例进行成像。图5和图6中描绘了来自lacey stem工艺的示例图像。如本文所定义的，lacey stem工艺是扫描透射电子显微镜(stem)的特定形式。stem是用于提供材料的薄样品的图像的技术。电子束穿过样品，给出了非常少的关于表面的信息和更多的关于颗粒的形状和结构的信息。在lacey stem工艺中，fei nova nanosem 450扫描电子显微镜或等效仪器与stem明视场和暗视场(df)(bf df)高角度环形暗场(haadf)检测器一起使用。
[0356]
在lacey stem工艺中，将稀释的分散体的液滴添加到lacey碳透射电子显微镜(tem)膜的顶部上。如果分散体可混溶于水，则稀释剂通常为水，否则稀释剂通常为丙酮。lacey结构解释了图5和图6中的网状结构。将分散体稀释到足够的程度，使得当扫描图像时，幅材上没有许多颗粒。由于lacey网基材上的稀释过程，自然形成的团簇是明显的。令人惊讶的是，颗粒物在研磨后具有非常高的结构。相反，石油炭黑的液体分散体中的分支被称为“瞬态结构”，并且该结构通常通过研磨而破碎。本文公开的许多分散体实施例的表征是根据lacey stem工艺产生的方法和图像进行的。其他成像工艺，例如溅射工艺，没有说明自然形成的簇特性。
[0357]
fei nova nanosem 450电子显微镜能够同时拍摄stem和sem图像。当以“stem模式”拍摄具有图像的图片时，同时使用两个检测器。这就是为什么可以用两种模式获取相同对象的图像的原因。屏幕被分割，并且从两个检测器呈现图像。当一种模式中的图像移动时，另一种模式中的图像随之移动。为了获得图像的良好分辨率，将仪器放大以精细聚焦，然后将仪器缩小到约整数放大倍率，使得在该放大倍率下清晰度甚至更高。根据需要调整图像的亮度和对比度。然后暂停调整，使得可以保存图像。
[0358]
单分散分散体是这样的分散体，其中颗粒尺寸的变化非常小，形成围绕平均值的窄(单峰)分布。
[0359]
图3、4、5和6是颜料颗粒的随机样品的stem图像，其中按数量计至少95％的颗粒或至少100个颗粒的直径在15nm与25nm之间的范围内。stem图像显示制剂16和制剂17形成接近单分散。图3和图4是制剂16中使用的生物炭颗粒的stem图像。图5和图6是制剂17中使用的生物炭颗粒的lacey stem图像。
[0360]
图7和8是植物炭原料的扫描电子显微镜图像，所述植物炭原料可以用作使用本文公开的方法制造图1a和1b中描绘的类型的亚微米碳颗粒的原料。图7中描绘的植物炭原料用于制剂17，图8中描绘的植物炭原料用于制剂16。
[0361]
激光散射
[0362]
使用以下“lda方案”对液体分散体进行激光散射测量：
[0363]
(a)将分散体样品用水稀释至0.0010vol.％的浓度。
[0364]
(b)使用马尔文mastersizer 2000激光衍射粒度分析仪或等同物分析样品。
[0365]
(c)尺寸范围设定为：0.020μm至2000μm。
[0366]
(d)使用米氏散射分析样品以分析光强度分布图案。
[0367]
观察到制剂11的颗粒分布如下：d10 130nm，d50 333nm，d90 534nm。观察到制剂12的颗粒分布如下：d10 250nm，d50 605nm，d90 750nm。应注意，由激光衍射数指示的粒度通常高于从stem图像计算的粒度，因为激光衍射数说明整个颗粒簇和颗粒链。stem图像显示了单个颗粒尺寸。
[0368]
表面积测定
[0369]
通过静压气体吸附，也称为通过气体物理吸附的比表面积分析(静态体积法)测量表面积。通过在第一轮脱气中在真空下将样品加热至90℃持续0.5小时来制备样品的表面。在随后的第二轮脱气中，将样品在真空下加热至200℃持续3小时。然后将样品暴露于氮气，并且一定量的气体吸附到颗粒的表面。在不同的相对压力下测量吸附气体的量。使用以下布鲁诺尔-埃米特-特勒(bet)方程计算表面积。
[0370][0371]
在麦克tristar ii 3020仪器上采集了一系列三个相对压力数据点。
[0372]
观察到制剂11中颗粒的表面积为375m2g-1
。观察到制剂12中颗粒的表面积为745m2g-1
。
[0373]
拉曼光谱
[0374]
拉曼光谱可以用作识别含碳材料内的不同碳相的方法。例如，拉曼光谱可用于区分几种类型的碳，例如金刚石、石墨和类金刚石碳。纳米晶和无定形碳的拉曼光谱由具有不同强度、位置和带宽的d(d表示无序)和g(g表示石墨)峰主导。在大约1540-1600cm-1
处的g谱带对应于类石墨材料中的对称e模式，而在1350cm-1
处的d谱带源于由晶界或缺陷引起的石墨域尺寸的限制。
[0375]
本文公开的两种代表性生物碳样品的拉曼光谱分析如下：拉曼测量用配备有“bx40 olympus”显微镜的“labram”光谱仪以反向散射几何(180
°
)进行。在这些测量中使用ar+离子激光器(514.5nm波长)和1800gr/mm光栅。
[0376]
从每个样品获得随机斑点处的三个光谱。样品1见图10和11(光谱1、2和3以及基线校正的光谱1-b、2-b和3-b)。样品1是从制剂16收集的颜料颗粒的随机样品。样品2也见图10和11(光谱4、5和6以及基线校正的光谱4-b、5-b和6-b)。样品2是从制剂17收集的颜料颗粒的随机样品。
[0377]
对原始光谱进行基线校正，并用sp2键合碳的d(1350cm-1
)和g(1590cm-1
)谱带的洛伦兹-高斯谱带进行谱带拟合。这些谱带的数据：位置、宽度(半峰全宽)、强度(峰面积)和峰高见表2。
[0378]
表2
[0379][0380][0381]
在文献中发现两个公式用于计算石墨碳的晶粒尺寸。
[0382]
使用强度比id/ig，tuinstra和koenig(1970)提出了用于计算石墨碳的晶粒尺寸的公式：
[0383][0384]
我们将其称为tk模型。该模型仅可以应用于从石墨到纳米石墨样品的纯sp2碳，其中la大于2nm。对于每次拉曼测量，在表1中报告由tk公式确定的la(nm)
tk
。对于每个样品给出具有标准偏差的平均值。
[0385]
colorlab分析
[0386]
几乎没有黑色颜料是完全黑色的。大多数黑色颜料具有轻微的色调(颜色)。完美的黑色样品吸收所有波长的光并且不反射色调。实验室颜色空间测试可用于分析黑色颜料的色调。虽然大多数黑色颜料不是“完美的”，但假设它们足够暗以防止大部分入射光到达
检测器。根据以下“黑色颜料颜色分析方案”测试本文公开的实施例的包括衍生自生物炭的含碳颗粒物的颜料分散体制剂的样品的色调。
[0387]
将样品在白色悬浮液中稀释：
[0388]
2％羟丙甲纤维素(以减缓分离)
[0389]
4％tio2(以提供白色背景)
[0390]
余量为去离子水。
[0391]
稀释是半定量的，其中将10-14mg颜料加入10g白色悬浮液中。
[0392]
将样品充分混合并置于10mm一次性(ps)比色皿中。
[0393]
将白色悬浮液作为空白标准物运行，并对照其读取样品，因此报告的值是差异。
[0394]
使用具有以下设置的亨特仪器ultrascan pro或等效仪器：
[0395]
cielab/d65/10deg/sphere/rsex/0.190"/10mm ps比色皿
[0396]
使用黑色颜料颜色分析方案进行根据本文公开的技术制备的五种代表性分散剂的分析。
[0397]
表3给出了表格形式的值。
[0398]
表3
[0399]
idl*a*b*dl*tio2空白84.99-0.160.6984.99样品151.9-0.410.16-33.09样品257.97-0.360.84-27.02样品352.48-0.340.87-32.52样品448.97-0.241.22-36.02样品560.840.042.17-24.15
[0400]
图12示出了示出如在cie lab颜色空间中绘制的检测到的颜色的图形表示的图。应当注意，样品距原点的距离是所测量的颜色大小的指示，然而，稀释程序未被细化以给出定量结果，并且预期误差高达约50％。
[0401]
动态光散射亚微米粒度分布
[0402]
动态光散射(dls)是可用于确定悬浮液中小颗粒的尺寸分布曲线的技术。以下dls方案用于确定分散体制剂中的颗粒材料的粒度特征，所述分散体制剂包括如本文公开的衍生自生物炭的含碳颗粒物。
[0403]
(a)通过在去离子水中稀释来制备分散体的样品。
[0404]
(b)马尔文zetasizer nano z dls或等效颗粒分析仪用于分析样品。
[0405]
(c)设置为在25℃下173
°
的反向散射角。
[0406]
使用dls方案对亚微米颗粒的两个样品中的每一个进行测量。样品a(1-3)是从制剂16收集的颜料颗粒的随机样品。样品b(1-3)是从制剂17收集的颜料颗粒的随机样品。使用基于强度和基于折射率为1.590和吸收率为0.010的聚苯乙烯胶乳作为标准品的动态光散射进行测量。即使所使用的材料不确切地是聚苯乙烯，该材料也经常在纳米尺度上用作聚合物科学中的参考。应当注意，由dls数字表示的粒度通常大于从stem图像计算的粒度，因为dls数字解释了整个颗粒簇和链状葡萄串状形态。stem图像示出了单个颗粒尺寸。dls测量的结果如下表4所示。
[0407]
表4
[0408][0409]
两种制剂中的每一种的三次测量的数据如下表5-10所示。图13至18分别绘制了表5-10中的数据。
[0410]
表5-样品a1
[0411][0412][0413]
表6-样品a2
[0414][0415]
表7-样品a3
[0416][0417][0418]
表8-样品b1
[0419][0420]
表9-样品b2
[0421][0422][0423]
表10-样品b3
[0424][0425]
分散剂鉴别
[0426]
已经测试了分散剂和表面活性剂以鉴定合适的候选物。技术要求是产生稳定的基于流体的分散体，其中颗粒不沉降到容器的底部；当在水或溶剂中稀释时，分散体不“破裂”；分散体在制造中或制造后不凝胶化；分散体在制造中保持流动和粘性；分散体在制造后不与水或溶剂分离；并且分散剂和配方有助于在制造中实现亚微米粒度。
[0427]
为了获得最环保的组合物，优选的分散剂被选择为不含石油、低石油或不含石油衍生产物；具有尽可能多的生物可再生含量；具有零至低的voc含量并且对水生生物、生态和人类健康无毒。
[0428]
特定分散剂对特定炭更好地起作用，并且分散体对于特定应用可能更好地起作用。添加消泡剂有助于保持低粘度以用于制造。此外，添加抗凝剂以防止颜料颗粒在储存时在分散体中沉降可能是有益的。
[0429]
在一个实施例中，颜料由粉碎的木材生物炭制成。它与由具有颜料亲和基团的改性的、结构化的或非结构化的丙烯酸或丙烯酸酯聚合物或共聚物制成的分散剂相容。丙烯酸共聚物是支化的或梳形的，并且在颜料颗粒周围产生基质，保持它们悬浮在溶液中。该颜料还与具有颜料亲和基团的羟基官能羧酸酯相容。
[0430]
在第二实施例中，颜料由粉碎的木材生物炭制成。它与木质素磺酸钠或木质素磺酸、基于钠盐的分散剂和具有颜料亲和基团的羟基官能羧酸酯相容。
[0431]
第一和第二实施例分散体都与作为消泡剂的生物可再生油菜籽油相容。
[0432]
已经发现，使用非结构化或结构化的丙烯酸聚合物或共聚物分散剂或非结构化或结构化的丙烯酸酯聚合物或共聚物分散剂或木质素磺酸钠或木质素磺酸钠盐基分散剂可以增强植物炭颜料的黑度my。
[0433]
应当理解，本文所述的组合物也可以不含分散剂。换句话说，本公开还涉及一种颜料制剂，其包括衍生自生物炭的含碳颗粒物和研磨流体，并且不含分散剂。
[0434]
预期颜料制剂可以作为衍生自生物炭的含碳颗粒物提供，具有以下特征：
[0435]
·
在来自溅射工艺的放大倍数至少为50,000倍的扫描透射电子显微照相二维显微照片上成像的含碳颗粒物的随机样品显示颗粒的形状为类球状；
[0436]
·
在来自lacey stem工艺的放大倍数至少为50,000倍的扫描透射电子显微照相二维显微照片上成像的含碳颗粒物的随机样品显示颗粒的圆度大于约0.8，其中标准偏差小于圆度的约30％；
[0437]
·
在来自lacey stem工艺的放大倍数至少为50,000倍的扫描透射电子显微照相二维显微照片上成像的含碳颗粒物的随机样品显示颗粒具有光滑表面；
[0438]
·
在来自lacey stem工艺的放大倍数至少为50,000倍的扫描透射电子显微照相二维显微照片上成像的含碳颗粒物的随机样品显示含碳颗粒物具有链状葡萄串状形态；
[0439]
·
含碳颗粒物的随机样品显示颗粒的直径小于约100nm或小于约80nm或小于约60nm，其中标准偏差小于平均直径的25％，如由在来自lacey stem工艺的放大倍数至少为50,000倍的二维显微照片上成像的颗粒的随机样品的空间测量计算的，标准偏差小于平均直径的25％；
[0440]
·
含碳颗粒物的随机样品显示颗粒的平均直径在约10nm至约100nm的范围内或在约10nm至约80nm的范围内或在10nm至60nm的范围内，其中标准偏差小于平均直径的25％，所述平均直径是由在来自lacey stem工艺的放大倍数至少为50,000倍的扫描透射电子显微照相二维显微照片上成像的颗粒的随机样品的空间测量计算的；
[0441]
·
含碳颗粒物的随机样品显示颗粒的圆度为至少约0.8或至少约0.75，其中标准偏差小于圆度的30％，所述圆度是由在来自lacey stem工艺的放大倍数至少为50,000倍的扫描透射电子显微照相二维显微照片上成像的颗粒的随机样品的空间测量计算的；
[0442]
·
含碳颗粒物的随机样品显示通过静态体积气体物理吸附测量的含碳颗粒物的表面积大于或等于约300m2g-1
。
[0443]
虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员显而易见的是，这些实施例仅以示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、改变和替换。应当理解，本文所述的本发明实施例的各种替代方案可用于实施本发明。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并且由此涵盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等同物。